Laut ausländischen Medienberichten hat eine Forschergruppe des Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) des US-Energieministeriums (DOE) neue Details zum internen Reaktionsmechanismus von Lithium-Metall-Anodenbatterien ermittelt. , Ein wichtiger Schritt für günstigere Elektrofahrzeugbatterien.

Batterieforscher am Brookhaven National Laboratory (Bildquelle: Brookhaven National Laboratory)

Wiederaufarbeitung von Lithiumanoden

Von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen können wir die Tradition sehen. Obwohl Lithiumbatterien die breite Anwendung vieler Technologien ermöglicht haben, stehen sie bei der Bereitstellung von Langstreckenstrom für Elektrofahrzeuge immer noch vor Herausforderungen.

Battery500, eine von Universitätsforschern geleitete Allianz, die vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums und dem US-Energieministerium finanziert wird, hat sich zum Ziel gesetzt, eine Batteriezelle mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg zu entwickeln. Mit anderen Worten, es ist die doppelte Energiedichte der fortschrittlichsten Batterien von heute. Dabei konzentriert sich die Allianz auf Batterien aus Lithium-Metall-Anoden.

Lithium-Metall-Batterien verwenden Lithium-Metall als Anode. Im Gegensatz dazu verwenden die meisten Lithiumbatterien Graphit als Anode. „Die Lithiumanode ist einer der Schlüsselfaktoren zum Erreichen des Energiedichteziels von Battery500“, sagten die Forscher. „Der Vorteil ist, dass die Energiedichte doppelt so hoch ist wie bei bestehenden Batterien. Erstens ist die spezifische Kapazität der Anode sehr hoch; Zweitens kann man eine Batterie mit höherer Spannung haben, und die Kombination aus beiden kann eine höhere Energiedichte haben.“

Wissenschaftler haben die Vorteile von Lithiumanoden schon lange erkannt; tatsächlich ist die Lithiummetallanode die erste Anode, die mit der Batteriekathode gekoppelt ist. Aufgrund der fehlenden „Reversibilität“ der Anode, d. h. der Fähigkeit, sich durch eine reversible elektrochemische Reaktion aufzuladen, verwendeten Batterieforscher jedoch Graphitanoden anstelle von Lithium-Metall-Anoden, um Lithiumbatterien herzustellen.

Nach jahrzehntelangen Fortschritten sind Forscher nun zuversichtlich, eine reversible Lithium-Metall-Anode zu realisieren, um die Grenzen von Lithiumbatterien zu erweitern. Der Schlüssel ist die Grenzfläche, die feste Materialschicht, die sich während der elektrochemischen Reaktion auf den Elektroden der Batterie bildet.

„Wenn wir diese Schnittstelle vollständig verstehen, kann sie wichtige Leitlinien für das Materialdesign und die Herstellung von reversiblen Lithiumanoden liefern“, so die Forscher. „Aber diese Grenzfläche zu verstehen ist eine ziemliche Herausforderung, da es sich um eine sehr dünne Materialschicht handelt, die nur wenige Nanometer dick ist und empfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit ist, sodass der Umgang mit Proben schwierig ist.“

Diese Schnittstelle wird in NSLS-II visualisiert

Um diese Herausforderungen zu lösen und die chemische Zusammensetzung und Struktur der Grenzfläche zu „sehen“, verwendeten die Forscher die National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), eine Benutzereinrichtung des DOE Science Office des Brookhaven National Laboratory, die superhelle Röntgenstrahlen, um die Materialeigenschaften der Grenzfläche auf atomarer Skala zu untersuchen.

Zusätzlich zu den erweiterten Fähigkeiten von nSLS-II muss das Team auch eine Strahllinie (Versuchsstation) verwenden, die alle Komponenten der Schnittstelle erkennen kann, und hochenergetische (kurze Wellenlängen) Röntgenstrahlen verwenden, um kristallines . zu erkennen und amorphe Phasen.

„Das Chemieteam hat den XPD-Multimode-Ansatz übernommen und zwei verschiedene Techniken verwendet, die von der Strahllinie bereitgestellt werden, die Röntgenbeugung (XRD) und die Verteilungsfunktionsanalyse (PDF)“, sagten die Forscher. „XRD kann kristalline Phasen untersuchen und PDF kann amorphe Phasen untersuchen.“

XRD- und PDF-Analysen ergaben spannende Ergebnisse: Lithiumhydrid (LiH) existiert in der Grenzfläche. Seit Jahrzehnten streiten Wissenschaftler über die Existenz von LiH in der Grenzfläche, was zu Unsicherheit über den grundlegenden Reaktionsmechanismus führt, der die Grenzfläche bildet.

„LiH und Lithiumfluorid (LiF) haben sehr ähnliche Kristallstrukturen. Unsere Behauptung über die Entdeckung von LiH wurde von einigen Leuten in Frage gestellt, die glauben, dass wir LiF mit LiH verwechseln“, sagte der Forscher.

Angesichts der Kontroverse im Zusammenhang mit der Studie und der technischen Herausforderungen bei der Unterscheidung von LiH von LiF beschloss das Forschungsteam, mehrere Beweise für die Existenz von LiH vorzulegen, einschließlich der Durchführung von Luftexpositionsexperimenten.

„Forscher sagten: „LiF ist an der Luft stabil, aber LiH ist instabil. Wenn wir die Grenzfläche feuchter Luft aussetzen und die Menge der Verbindung mit der Zeit abnimmt, können wir bestätigen, dass wir tatsächlich LiH und nicht LiF sehen, und es ist LiF. Aufgrund der Schwierigkeit, LiH von LiF zu unterscheiden und das Luftexpositionsexperiment noch nie zuvor durchgeführt wurde, wird LiH in vielen Literaturberichten höchstwahrscheinlich mit LiF verwechselt oder es wird aufgrund der LiH-Zersetzung in einer feuchten Umgebung nicht beobachtet. ”

Der Forscher fuhr fort. „Die von PNNL durchgeführte Probenvorbereitung ist für diese Forschung von entscheidender Bedeutung. Wir vermuten, dass viele Menschen LiH nicht identifizieren können, weil ihre Proben vor dem Experiment einer feuchten Umgebung ausgesetzt waren.“ Wenn Sie die Proben nicht richtig gesammelt haben, die Proben versiegeln und die Proben versenden, können Sie LiH verpassen. ”

Das Team bestätigte nicht nur die Existenz von LiH, sondern löste auch ein weiteres seit langem bestehendes Rätsel um LiF. LiF wurde lange Zeit als nützlicher Bestandteil der Schnittstelle angesehen, aber niemand versteht den Grund. Das Team bestimmte die strukturellen Unterschiede von LiF innerhalb der Grenzfläche und die meisten strukturellen Unterschiede von LiF selbst und stellte fest, dass ersteres den Transport von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode förderte.

Batteriewissenschaftler des Brookhaven National Laboratory, anderer nationaler Labors und Universitäten arbeiten weiterhin zusammen. Die Forscher sagten, dass diese Ergebnisse die dringend benötigte praktische Anleitung für die Entwicklung von Lithium-Metall-Anoden liefern werden.