Σύμφωνα με δημοσιεύματα ξένων ΜΜΕ, μια ομάδα ερευνητών στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven (Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) εντόπισε νέες λεπτομέρειες σχετικά με τον εσωτερικό μηχανισμό αντίδρασης των μπαταριών ανόδου μετάλλου λιθίου. , Ένα σημαντικό βήμα για φθηνότερες μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων.

Ερευνητές μπαταριών στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven (Πηγή εικόνας: Brookhaven National Laboratory)

Ανακατασκευή ανόδου λιθίου

Από τα έξυπνα τηλέφωνα μέχρι τα ηλεκτρικά οχήματα, μπορούμε να δούμε την παράδοση. Αν και οι μπαταρίες λιθίου επέτρεψαν την ευρεία χρήση πολλών τεχνολογιών, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προκλήσεις όσον αφορά την παροχή ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις για ηλεκτρικά οχήματα.

Η Battery500, μια συμμαχία με επικεφαλής πανεπιστημιακούς ερευνητές που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού (PNNL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, στοχεύει στη δημιουργία μιας κυψέλης μπαταρίας με ενεργειακή πυκνότητα 500 Wh/kg. Με άλλα λόγια, είναι διπλάσια από την ενεργειακή πυκνότητα από τις πιο προηγμένες μπαταρίες του σήμερα. Για το σκοπό αυτό, η συμμαχία εστιάζει σε μπαταρίες κατασκευασμένες από ανόδους μετάλλου λιθίου.

Οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν μέταλλο λιθίου ως άνοδο. Αντίθετα, οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν γραφίτη ως άνοδο. «Η άνοδος λιθίου είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες για την επίτευξη του στόχου ενεργειακής πυκνότητας Battery500», είπαν οι ερευνητές. «Το πλεονέκτημα είναι ότι η ενεργειακή πυκνότητα είναι διπλάσια από τις υπάρχουσες μπαταρίες. Πρώτον, η ειδική χωρητικότητα της ανόδου είναι πολύ υψηλή. Δεύτερον, μπορείτε να έχετε μια μπαταρία υψηλότερης τάσης και ο συνδυασμός των δύο μπορεί να έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.»

Οι επιστήμονες έχουν από καιρό αναγνωρίσει τα πλεονεκτήματα των ανοδίων λιθίου. Στην πραγματικότητα, η άνοδος μετάλλου λιθίου είναι η πρώτη άνοδος που συνδέεται με την κάθοδο της μπαταρίας. Ωστόσο, λόγω της έλλειψης «αναστρεψιμότητας» της ανόδου, δηλαδή της ικανότητας φόρτισης μέσω μιας αναστρέψιμης ηλεκτροχημικής αντίδρασης, οι ερευνητές μπαταριών κατέληξαν να χρησιμοποιούν ανόδους γραφίτη αντί για ανόδους μετάλλου λιθίου για την κατασκευή μπαταριών λιθίου.

Τώρα, μετά από δεκαετίες προόδου, οι ερευνητές είναι βέβαιοι ότι θα συνειδητοποιήσουν μια αναστρέψιμη άνοδο μετάλλου λιθίου για να ωθήσει τα όρια των μπαταριών λιθίου. Το κλειδί είναι η διεπαφή, το στρώμα στερεού υλικού που σχηματίζεται στα ηλεκτρόδια της μπαταρίας κατά την ηλεκτροχημική αντίδραση.

«Εάν μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως αυτή τη διεπαφή, μπορεί να παρέχει σημαντική καθοδήγηση για το σχεδιασμό υλικών και την κατασκευή αναστρέψιμων ανοδίων λιθίου», είπαν οι ερευνητές. «Αλλά η κατανόηση αυτής της διεπαφής είναι μια μεγάλη πρόκληση γιατί είναι ένα πολύ λεπτό στρώμα υλικού, πάχους μόνο μερικών νανόμετρων και είναι ευαίσθητο στον αέρα και την υγρασία, επομένως ο χειρισμός των δειγμάτων είναι δύσκολος».

Αυτή η διεπαφή απεικονίζεται στο NSLS-II

Για να λύσουν αυτές τις προκλήσεις και να «δουν» τη χημική σύνθεση και τη δομή της διεπαφής, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), μια εγκατάσταση χρήστη του DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, η οποία παράγει εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ για τη μελέτη των υλικών ιδιοτήτων της διεπαφής στην ατομική κλίμακα.

Εκτός από τη χρήση των προηγμένων δυνατοτήτων του nSLS-II, η ομάδα χρειάζεται επίσης να χρησιμοποιήσει μια γραμμή δέσμης (πειραματικό σταθμό) που μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα στοιχεία της διεπαφής και να χρησιμοποιήσει ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας (μικρού μήκους κύματος) για την ανίχνευση κρυσταλλικών και άμορφες φάσεις.

«Η ομάδα χημείας υιοθέτησε την προσέγγιση πολλαπλών τρόπων XPD, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές τεχνικές που παρέχονται από τη γραμμή δέσμης, την ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και τη συνάρτηση κατανομής (PDF)», είπαν οι ερευνητές. “Το XRD μπορεί να μελετήσει κρυσταλλικές φάσεις και το PDF μπορεί να μελετήσει άμορφες φάσεις.”

Η ανάλυση XRD και PDF αποκάλυψε συναρπαστικά αποτελέσματα: Υδρίδιο λιθίου (LiH) υπάρχει στη διεπαφή. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες διαφωνούν για την ύπαρξη του LiH στη διεπαφή, δημιουργώντας αβεβαιότητα σχετικά με τον βασικό μηχανισμό αντίδρασης που σχηματίζει τη διεπαφή.

«Το LiH και το φθοριούχο λίθιο (LiF) έχουν πολύ παρόμοιες κρυσταλλικές δομές. Ο ισχυρισμός μας για την ανακάλυψη του LiH αμφισβητήθηκε από ορισμένους ανθρώπους που πιστεύουν ότι μπερδεύουμε το LiF με το LiH», είπε ο ερευνητής.

Λόγω της διαμάχης που εμπλέκεται στη μελέτη και των τεχνικών προκλήσεων για τη διάκριση του LiH από το LiF, η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να παράσχει πολλαπλά στοιχεία για την ύπαρξη του LiH, συμπεριλαμβανομένης της διεξαγωγής πειραμάτων έκθεσης στον αέρα.

«Οι ερευνητές είπαν: «Το LiF είναι σταθερό στον αέρα, αλλά το LiH είναι ασταθές. Εάν εκθέσουμε τη διεπαφή σε υγρό αέρα και εάν η ποσότητα της ένωσης μειωθεί με την πάροδο του χρόνου, μπορούμε να επιβεβαιώσουμε ότι όντως βλέπουμε LiH, όχι LiF, και είναι LiF. Λόγω της δυσκολίας διάκρισης του LiH από το LiF και το πείραμα έκθεσης στον αέρα δεν έχει πραγματοποιηθεί ποτέ στο παρελθόν, το LiH είναι πολύ πιθανό να μπερδευτεί με το LiF σε πολλές βιβλιογραφικές αναφορές ή δεν παρατηρείται λόγω αποσύνθεσης του LiH σε υγρό περιβάλλον. ”

Ο ερευνητής συνέχισε. «Η εργασία προετοιμασίας του δείγματος που έγινε από το PNNL είναι κρίσιμη για αυτήν την έρευνα. Υποψιαζόμαστε ότι πολλοί άνθρωποι αποτυγχάνουν να αναγνωρίσουν το LiH επειδή τα δείγματά τους είχαν εκτεθεί σε υγρό περιβάλλον πριν από το πείραμα». Εάν δεν συλλέξατε σωστά τα δείγματα, σφραγίστε τα δείγματα και τα δείγματα αποστολής, μπορεί να χάσετε το LiH. ”

Εκτός από την επιβεβαίωση της ύπαρξης του LiH, η ομάδα έλυσε επίσης ένα άλλο μακροχρόνιο μυστήριο γύρω από το LiF. Το LiF θεωρείται από καιρό ένα ευεργετικό στοιχείο της διεπαφής, αλλά κανείς δεν κατανοεί πλήρως τον λόγο. Η ομάδα προσδιόρισε τις δομικές διαφορές του LiF εντός της διεπαφής και τις περισσότερες δομικές διαφορές του ίδιου του LiF και διαπίστωσε ότι το πρώτο προήγαγε τη μεταφορά ιόντων λιθίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.

Οι επιστήμονες μπαταριών από το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, άλλα εθνικά εργαστήρια και πανεπιστήμια συνεχίζουν να συνεργάζονται. Οι ερευνητές είπαν ότι αυτά τα αποτελέσματα θα παράσχουν την απαραίτητη πρακτική καθοδήγηση για την ανάπτυξη ανόδων μετάλλου λιθίου.