Ifølge rapporter i udenlandske medier har en gruppe forskere ved Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) i det amerikanske energiministerium (DOE) bestemt nye detaljer om den interne reaktionsmekanisme af lithiummetalanodebatterier. , Et vigtigt skridt for billigere elbilbatterier.

Batteriforskere ved Brookhaven National Laboratory (Billedkilde: Brookhaven National Laboratory)

Genfremstilling af lithiumanode

From smart phones to electric vehicles, we can see the tradition. Although lithium batteries have enabled many technologies to be widely used, they still face challenges in providing long-distance power for electric vehicles.

Battery500, en alliance ledet af universitetsforskere finansieret af US Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og US Department of Energy, sigter mod at skabe en battericelle med en energitæthed på 500Wh/kg. Det er med andre ord dobbelt så meget energitæthed som nutidens mest avancerede batterier. Til dette formål fokuserer alliancen på batterier lavet af lithiummetalanoder.

Lithiummetalbatterier bruger lithiummetal som anode. I modsætning hertil bruger de fleste lithiumbatterier grafit som anode. “Lithiumanoden er en af ​​nøglefaktorerne for at nå Battery500 energitæthedsmålet,” sagde forskerne. ”Fordelen er, at energitætheden er det dobbelte af eksisterende batterier. For det første er anodens specifikke kapacitet meget høj; for det andet kan du have et batteri med højere spænding, og kombinationen af ​​de to kan have en højere energitæthed.”

Forskere har længe erkendt fordelene ved lithiumanoder; faktisk er lithiummetalanoden den første anode koblet til batterikatoden. Men på grund af anodens manglende “reversibilitet”, det vil sige evnen til at oplade gennem en reversibel elektrokemisk reaktion, endte batteriforskere med at bruge grafitanoder i stedet for lithiummetalanoder til at lave lithiumbatterier.

Nu, efter årtiers fremskridt, er forskere overbeviste om at realisere en reversibel lithiummetalanode for at skubbe grænserne for lithiumbatterier. Nøglen er grænsefladen, det faste materialelag, der dannes på batteriets elektroder under den elektrokemiske reaktion.

“Hvis vi fuldt ud kan forstå denne grænseflade, kan den give vigtig vejledning til materialedesign og fremstilling af reversible lithiumanoder,” sagde forskerne. “Men at forstå denne grænseflade er noget af en udfordring, fordi det er et meget tyndt lag materiale, kun et par nanometer tykt, og det er følsomt over for luft og fugt, så det er vanskeligt at håndtere prøver.”

This interface is visualized in NSLS-II

For at løse disse udfordringer og “se” den kemiske sammensætning og struktur af grænsefladen brugte forskerne National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), en brugerfacilitet hos DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, som producerer super lyse røntgenstråler for at studere grænsefladens materialeegenskaber på atomskalaen.

Ud over at bruge de avancerede funktioner i nSLS-II skal teamet også bruge en strålelinje (eksperimentel station), der kan detektere alle komponenter i grænsefladen, og bruge højenergi (kortbølgelængde) røntgenstråler til at detektere krystallinske og amorfe faser.

“Kemiholdet vedtog XPD multi-mode tilgangen ved at bruge to forskellige teknikker leveret af beamline, røntgendiffraktion (XRD) og distributionsfunktion (PDF) analyse,” sagde forskerne. “XRD kan studere krystallinske faser, og PDF kan studere amorfe faser.”

XRD og PDF-analyse afslørede spændende resultater: Lithiumhydrid (LiH) findes i grænsefladen. I årtier har videnskabsmænd skændtes om eksistensen af ​​LiH i grænsefladen, hvilket har skabt usikkerhed om den grundlæggende reaktionsmekanisme, der danner grænsefladen.

“LiH og lithiumfluorid (LiF) har meget ens krystalstrukturer. Vores påstand om opdagelsen af ​​LiH er blevet sat spørgsmålstegn ved af nogle mennesker, der mener, at vi forveksler LiF med LiH,” sagde forskeren.

I lyset af kontroversen involveret i undersøgelsen og de tekniske udfordringer ved at skelne LiH fra LiF, besluttede forskerholdet at fremlægge flere beviser for eksistensen af ​​LiH, herunder at udføre lufteksponeringseksperimenter.

“Forskere sagde: “LiF er stabil i luften, men LiH er ustabil. Hvis vi udsætter grænsefladen for fugtig luft, og hvis mængden af ​​forbindelse falder over tid, kan vi bekræfte, at vi faktisk ser LiH, ikke LiF, og det er LiF. På grund af vanskeligheden ved at skelne LiH fra LiF og lufteksponeringsforsøget er aldrig blevet udført før, er LiH højst sandsynligt forvekslet med LiF i mange litteraturrapporter, eller det observeres ikke på grund af LiH-nedbrydning i et fugtigt miljø. ”

Forskeren fortsatte. “Prøveforberedelsesarbejdet udført af PNNL er afgørende for denne forskning. Vi formoder, at mange mennesker undlader at identificere LiH, fordi deres prøver blev udsat for et fugtigt miljø før eksperimentet.” Hvis du ikke har indsamlet prøverne korrekt, forsegle prøverne og sende prøver, kan du gå glip af LiH. ”

Ud over at bekræfte eksistensen af ​​LiH, løste holdet også et andet mangeårigt mysterium omkring LiF. LiF har længe været betragtet som en gavnlig komponent i grænsefladen, men ingen forstår helt årsagen. Holdet bestemte de strukturelle forskelle af LiF inden for grænsefladen og de fleste af de strukturelle forskelle i LiF selv, og fandt ud af, at førstnævnte fremmede transporten af ​​lithiumioner mellem anoden og katoden.

Battery scientists from Brookhaven National Laboratory, other national laboratories, and universities continue to cooperate. The researchers said that these results will provide much-needed practical guidance for the development of lithium metal anodes.