Podle zpráv zahraničních médií skupina výzkumníků z Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) Ministerstva energetiky USA (DOE) zjistila nové podrobnosti o vnitřním reakčním mechanismu lithiových kovových anodových baterií. , Důležitý krok pro levnější baterie elektromobilů.

Výzkumníci baterií v Brookhaven National Laboratory (zdroj obrázku: Brookhaven National Laboratory)

Renovace lithiové anody

Od chytrých telefonů po elektrická vozidla, můžeme vidět tradici. Přestože lithiové baterie umožnily široké využití mnoha technologií, stále čelí výzvám při poskytování energie na dlouhé vzdálenosti pro elektromobily.

Battery500, aliance vedená univerzitními výzkumníky financovaná Pacifickou severozápadní národní laboratoří (PNNL) amerického ministerstva energetiky a ministerstvem energetiky USA, si klade za cíl vytvořit bateriový článek s hustotou energie 500 Wh/kg. Jinými slovy, je to dvojnásobná energetická hustota dnešních nejpokročilejších baterií. Za tímto účelem se aliance zaměřuje na baterie vyrobené z lithiových kovových anod.

Lithiové kovové baterie používají jako anodu lithium. Naproti tomu většina lithiových baterií používá jako anodu grafit. „Lithiová anoda je jedním z klíčových faktorů pro dosažení cíle energetické hustoty Battery500,“ uvedli vědci. „Výhodou je, že hustota energie je dvojnásobná oproti stávajícím bateriím. Za prvé, specifická kapacita anody je velmi vysoká; za druhé, můžete mít baterii s vyšším napětím a kombinace těchto dvou může mít vyšší hustotu energie.“

Vědci již dlouho uznávají výhody lithiových anod; ve skutečnosti je lithiová kovová anoda první anodou spojenou s katodou baterie. Kvůli nedostatku „reverzibility“ anody, tedy schopnosti nabíjet se prostřednictvím reverzibilní elektrochemické reakce, výzkumníci baterií nakonec při výrobě lithiových baterií použili grafitové anody místo lithiových kovových anod.

Nyní, po desetiletích pokroku, jsou vědci přesvědčeni, že realizují reverzibilní lithiovou kovovou anodu, která posune limity lithiových baterií. Klíčové je rozhraní, vrstva pevného materiálu, která se tvoří na elektrodách baterie během elektrochemické reakce.

„Pokud dokážeme plně porozumět tomuto rozhraní, může poskytnout důležité vodítko pro návrh materiálu a výrobu reverzibilních lithiových anod,“ uvedli vědci. “Porozumět tomuto rozhraní je ale docela problém, protože se jedná o velmi tenkou vrstvu materiálu, pouze několik nanometrů tlustou a je citlivá na vzduch a vlhkost, takže manipulace se vzorky je složitá.”

Toto rozhraní je vizualizováno v NSLS-II

Aby vyřešili tyto problémy a „viděli“ chemické složení a strukturu rozhraní, použili výzkumníci National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), uživatelské zařízení DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, které vyrábí super jasné rentgenové paprsky pro studium materiálových vlastností rozhraní v atomovém měřítku.

Kromě využití pokročilých schopností nSLS-II musí tým také použít paprskovou linku (experimentální stanici), která dokáže detekovat všechny součásti rozhraní, a použít vysokoenergetické (krátkovlnné) rentgenové záření k detekci krystalického a amorfní fáze.

“Chemický tým přijal vícerežimový přístup XPD s použitím dvou různých technik poskytovaných pomocí paprskové linie, rentgenové difrakce (XRD) a distribuční funkce (PDF),” uvedli vědci. “XRD může studovat krystalické fáze a PDF může studovat amorfní fáze.”

Analýza XRD a PDF odhalila vzrušující výsledky: Lithiumhydrid (LiH) existuje v rozhraní. Po celá desetiletí se vědci dohadují o existenci LiH v rozhraní, což vytváří nejistotu ohledně základního reakčního mechanismu, který tvoří rozhraní.

„LiH a fluorid lithný (LiF) mají velmi podobné krystalové struktury. Naše tvrzení o objevu LiH bylo zpochybněno některými lidmi, kteří se domnívají, že si LiF pleteme s LiH,“ řekl výzkumník.

Vzhledem ke kontroverzi zahrnuté ve studii a technickým problémům při rozlišování LiH od LiF se výzkumný tým rozhodl poskytnout několik důkazů o existenci LiH, včetně provádění experimentů s expozicí vzduchu.

“Výzkumníci řekli: “LiF je stabilní ve vzduchu, ale LiH je nestabilní.” Pokud vystavíme rozhraní vlhkému vzduchu a pokud se množství sloučeniny v průběhu času sníží, můžeme potvrdit, že skutečně vidíme LiH, nikoli LiF, a je to LiF. Vzhledem k obtížnosti odlišení LiH od LiF a experiment vystavení vzduchu nebyl nikdy předtím proveden, je LiH s největší pravděpodobností v mnoha literárních zprávách zaměňován za LiF nebo není pozorován kvůli rozkladu LiH ve vlhkém prostředí. “

Výzkumník pokračoval. “Příprava vzorků prováděná PNNL je pro tento výzkum kritická. Máme podezření, že mnoho lidí nedokáže identifikovat LiH, protože jejich vzorky byly před experimentem vystaveny vlhkému prostředí.“ Pokud jste vzorky neodebrali správně, zapečetili vzorky a odeslali vzorky, může vám LiH chybět. “

Kromě potvrzení existence LiH tým také vyřešil další dlouhotrvající záhadu kolem LiF. LiF byl dlouho považován za přínosnou součást rozhraní, ale nikdo plně nechápe důvod. Tým určil strukturální rozdíly LiF v rozhraní a většinu strukturálních rozdílů samotného LiF a zjistil, že první podporoval transport iontů lithia mezi anodou a katodou.

Vědci zabývající se bateriemi z Brookhaven National Laboratory, dalších národních laboratoří a univerzit nadále spolupracují. Vědci uvedli, že tyto výsledky poskytnou velmi potřebné praktické vodítko pro vývoj lithiových kovových anod.