Välismeedia teadete kohaselt on USA energeetikaministeeriumi (DOE) Brookhaveni riikliku labori (Brookhaven National Laboratory) teadlaste rühm selgitanud välja uusi üksikasju liitiummetalli anoodakude sisemise reaktsioonimehhanismi kohta. , Oluline samm odavamate elektrisõidukite akude poole.

Brookhaveni riikliku labori akuuurijad (pildi allikas: Brookhaven National Laboratory)

Liitiumanoodi taastootmine

Nutitelefonidest elektrisõidukiteni näeme traditsiooni. Kuigi liitiumakud on võimaldanud paljusid tehnoloogiaid laialdaselt kasutada, seisavad nad endiselt silmitsi väljakutsetega elektrisõidukite pikamaa toite pakkumisel.

USA energeetikaministeeriumi Vaikse ookeani loodeosa riikliku labori (PNNL) ja USA energeetikaministeeriumi rahastatud ülikoolide teadlaste juhitud alliansi Battery500 eesmärk on luua akuelement, mille energiatihedus on 500 Wh/kg. Teisisõnu on see kaks korda suurem energiatihedusest kui tänapäeva kõige arenenumatest akudest. Selleks keskendub liit liitiummetalli anoodidest valmistatud akudele.

Liitiummetalli patareid kasutavad anoodina liitiummetalli. Seevastu enamik liitiumakusid kasutavad anoodina grafiiti. “Liitiumanood on Battery500 energiatiheduse eesmärgi saavutamisel üks võtmetegureid,” ütlesid teadlased. “Eelis on see, et energiatihedus on kaks korda suurem kui olemasolevatel akudel. Esiteks on anoodi erivõimsus väga kõrge; teiseks võib teil olla kõrgema pingega aku ja nende kahe kombinatsioonil võib olla suurem energiatihedus.

Teadlased on liitiumianoodide eeliseid juba ammu tunnustanud; tegelikult on liitiummetalli anood esimene anood, mis on ühendatud aku katoodiga. Kuid kuna anoodil puudus “pööratavus”, st võime laadida pöörduva elektrokeemilise reaktsiooni kaudu, kasutasid akuuurijad liitiumakude valmistamiseks liitiummetalli anoodide asemel grafiitanoode.

Nüüd, pärast aastakümneid kestnud edusamme, on teadlased kindlad, et suudavad realiseerida pööratava liitiummetalli anoodi, et nihutada liitiumakude piire. Võti on liides, tahke materjali kiht, mis tekib aku elektroodidele elektrokeemilise reaktsiooni käigus.

“Kui suudame seda liidest täielikult mõista, võib see anda olulisi juhiseid pööratavate liitiumanoodide materjalide kavandamiseks ja tootmiseks,” ütlesid teadlased. “Kuid selle liidese mõistmine on üsna keeruline, kuna see on väga õhuke materjalikiht, vaid mõne nanomeetri paksune ning õhu- ja niiskustundlik, seega on proovide käsitlemine keeruline.”

See liides on visualiseeritud NSLS-II-s

Nende väljakutsete lahendamiseks ja liidese keemilise koostise ja struktuuri nägemiseks kasutasid teadlased National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), Brookhaveni riikliku labori DOE teadusbüroo kasutajaseadet, mis toodab ülierksad röntgenikiirgused, et uurida liidese materjali omadusi aatomiskaalal.

Lisaks nSLS-II täiustatud võimaluste kasutamisele peab meeskond kasutama ka kiirliini (katsejaam), mis suudab tuvastada kõik liidese komponendid, ja kasutama kristallide tuvastamiseks suure energiaga (lühilainepikkusega) röntgenikiirgust. ja amorfsed faasid.

“Keemiameeskond võttis kasutusele XPD mitmerežiimilise lähenemisviisi, kasutades kahte erinevat meetodit, mida pakuvad valgusvihu, röntgendifraktsiooni (XRD) ja jaotusfunktsiooni (PDF) analüüs,” ütlesid teadlased. “XRD saab uurida kristallilisi faase ja PDF saab uurida amorfseid faase.”

XRD- ja PDF-analüüs näitas põnevaid tulemusi: liideses on liitiumhüdriid (LiH). Aastakümneid on teadlased vaielnud LiH olemasolu üle liideses, tekitades ebakindlust liidese moodustava põhireaktsioonimehhanismi suhtes.

“LiH ja liitiumfluoriidi (LiF) kristallstruktuurid on väga sarnased. Meie väite LiH avastamise kohta on kahtluse alla seadnud mõned inimesed, kes usuvad, et me eksime LiF-i LiH-ga,” ütles teadlane.

Pidades silmas uuringuga seotud vastuolusid ja tehnilisi väljakutseid LiH eristamisel LiF-ist, otsustas uurimisrühm esitada mitu tõendit LiH olemasolu kohta, sealhulgas viia läbi õhuga kokkupuute katseid.

“Teadlased ütlesid: “LiF on õhus stabiilne, kuid LiH on ebastabiilne. Kui paneme liidese kokku niiske õhuga ja kui ühendi kogus aja jooksul väheneb, võime kinnitada, et näeme tõepoolest LiH-d, mitte LiF-i ja see on LiF. Kuna LiH-d on LiF-st raske eristada ja õhuga kokkupuute katset pole kunagi varem tehtud, peetakse LiH-d paljudes kirjandusaruannetes kõige tõenäolisemalt LiH-ga segi või seda ei täheldata LiH lagunemise tõttu niiskes keskkonnas. ”

Uurija jätkas. “PNNL-i proovide ettevalmistamise töö on selle uuringu jaoks kriitilise tähtsusega. Me kahtlustame, et paljud inimesed ei suuda LiH-d tuvastada, kuna nende proovid puutusid enne katset kokku niiskes keskkonnas. Kui te ei kogunud proove õigesti, pitseerige proove ja proovide saatmine, võite LiH-st ilma jääda. ”

Lisaks LiH olemasolu kinnitamisele lahendas meeskond ka veel ühe kauaaegse LiF-i ümbritseva mõistatuse. LiF-i on pikka aega peetud liidese kasulikuks komponendiks, kuid keegi ei mõista selle põhjust täielikult. Meeskond tegi kindlaks LiF-i struktuursed erinevused liideses ja enamiku LiF-i enda struktuursetest erinevustest ning leidis, et esimene soodustas liitiumioonide transporti anoodi ja katoodi vahel.

Brookhaveni riikliku labori, teiste riiklike laborite ja ülikoolide akuteadlased jätkavad koostööd. Teadlased ütlesid, et need tulemused annavad väga vajalikke praktilisi juhiseid liitiummetalli anoodide väljatöötamiseks.