بر اساس گزارش رسانه های خارجی، گروهی از محققان آزمایشگاه ملی بروکهاون (آزمایشگاه ملی بروکهاون) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) جزئیات جدیدی در مورد مکانیسم واکنش داخلی باتری های لیتیوم فلزی آند مشخص کرده اند. گامی مهم برای ارزانتر بودن باتری خودروهای برقی.

محققان باتری در آزمایشگاه ملی بروکهاون (منبع تصویر: آزمایشگاه ملی بروکهاون)

بازسازی آند لیتیوم

از تلفن های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی، می توانیم این سنت را ببینیم. اگرچه باتری‌های لیتیومی امکان استفاده گسترده از بسیاری از فناوری‌ها را فراهم کرده‌اند، اما همچنان با چالش‌هایی در تامین برق در مسافت‌های طولانی برای وسایل نقلیه الکتریکی مواجه هستند.

Battery500، ائتلافی به رهبری محققان دانشگاه که توسط آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) وزارت انرژی ایالات متحده و وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی می شود، هدف آن ایجاد سلول باتری با چگالی انرژی 500Wh/kg است. به عبارت دیگر، دو برابر چگالی انرژی پیشرفته ترین باتری های امروزی است. برای این منظور، اتحاد بر روی باتری های ساخته شده از آندهای فلزی لیتیوم تمرکز دارد.

باتری های فلزی لیتیوم از فلز لیتیوم به عنوان آند استفاده می کنند. در مقابل، بیشتر باتری های لیتیومی از گرافیت به عنوان آند استفاده می کنند. محققان گفتند: آند لیتیوم یکی از عوامل کلیدی در دستیابی به هدف چگالی انرژی Battery500 است. مزیت این است که چگالی انرژی دو برابر باتری های موجود است. اول، ظرفیت خاص آند بسیار بالا است. دوم، شما می توانید باتری ولتاژ بالاتری داشته باشید و ترکیب این دو می تواند چگالی انرژی بالاتری داشته باشد.

دانشمندان مدتهاست که مزایای آندهای لیتیوم را تشخیص داده اند. در واقع آند فلزی لیتیوم اولین آند است که به کاتد باتری کوپل شده است. با این حال، به دلیل عدم برگشت پذیری آند، یعنی توانایی شارژ از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی برگشت پذیر، محققان باتری در نهایت از آندهای گرافیت به جای آندهای فلزی لیتیوم برای ساخت باتری های لیتیومی استفاده کردند.

اکنون، پس از دهه‌ها پیشرفت، محققان مطمئن هستند که یک آند فلزی لیتیومی برگشت‌پذیر را برای رفع محدودیت‌های باتری‌های لیتیومی پیدا می‌کنند. کلید رابط، لایه ماده جامد است که در طول واکنش الکتروشیمیایی روی الکترودهای باتری تشکیل می شود.

محققان گفتند: «اگر ما بتوانیم این رابط را به طور کامل درک کنیم، می‌تواند راهنمایی مهمی برای طراحی مواد و ساخت آندهای لیتیوم برگشت‌پذیر ارائه کند. اما درک این رابط کاملاً چالش برانگیز است زیرا یک لایه بسیار نازک از مواد است که تنها چند نانومتر ضخامت دارد و به هوا و رطوبت حساس است، بنابراین کار با نمونه ها دشوار است.

این رابط در NSLS-II تجسم شده است

به منظور حل این چالش ها و “دیدن” ترکیب شیمیایی و ساختار رابط، محققان از منبع نور تابش ملی سنکروترون II (NSLS-II) استفاده کردند، یک مرکز کاربری از دفتر علوم DOE آزمایشگاه ملی بروکهاون، که تولید می کند. پرتوهای ایکس فوق‌العاده روشن برای مطالعه خواص مواد سطح مشترک در مقیاس اتمی.

علاوه بر استفاده از قابلیت‌های پیشرفته nSLS-II، این تیم همچنین باید از یک خط پرتو (ایستگاه آزمایشی) استفاده کند که بتواند تمام اجزای رابط را شناسایی کند و از پرتوهای ایکس پر انرژی (طول موج کوتاه) برای تشخیص کریستالی استفاده کند. و فازهای آمورف

محققان گفتند: «تیم شیمی رویکرد چند حالته XPD را با استفاده از دو تکنیک مختلف ارائه شده توسط خط پرتو، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس (XRD) و تابع توزیع (PDF) اتخاذ کردند. XRD می‌تواند فازهای کریستالی را مطالعه کند و PDF می‌تواند فازهای آمورف را مطالعه کند.

تجزیه و تحلیل XRD و PDF نتایج هیجان انگیزی را نشان داد: لیتیوم هیدرید (LiH) در رابط وجود دارد. برای دهه‌ها، دانشمندان در مورد وجود LiH در سطح مشترک بحث می‌کردند و در مورد مکانیسم واکنش اساسی که رابط را تشکیل می‌دهد، عدم اطمینان ایجاد کرد.

LiH و لیتیوم فلوراید (LiF) ساختارهای کریستالی بسیار مشابهی دارند. این محقق گفت: ادعای ما در مورد کشف LiH توسط برخی افراد که معتقدند ما LiF را با LiH اشتباه می‌گیریم مورد تردید قرار گرفته است.

با توجه به بحث‌های موجود در این مطالعه و چالش‌های فنی تمایز LiH از LiF، تیم تحقیقاتی تصمیم گرفت شواهد متعددی برای وجود LiH ارائه کند، از جمله انجام آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض هوا.

محققان گفتند: LiF در هوا پایدار است، اما LiH ناپایدار است. اگر رابط را در معرض هوای مرطوب قرار دهیم، و اگر مقدار ترکیب با گذشت زمان کاهش یابد، می توانیم تأیید کنیم که واقعا LiH را می بینیم، نه LiF، و LiF است. با توجه به دشواری تشخیص LiH از LiF و آزمایش قرار گرفتن در معرض هوا قبلاً انجام نشده است، LiH به احتمال زیاد در بسیاری از گزارشات ادبیات با LiF اشتباه گرفته می شود، یا به دلیل تجزیه LiH در یک محیط مرطوب مشاهده نمی شود. ”

محقق ادامه داد. کار آماده سازی نمونه انجام شده توسط PNNL برای این تحقیق حیاتی است. ما گمان می کنیم که بسیاری از افراد قادر به شناسایی LiH نیستند، زیرا نمونه های آنها قبل از آزمایش در معرض یک محیط مرطوب قرار گرفته است. اگر نمونه ها را به درستی جمع آوری نکردید، نمونه ها و نمونه های حمل و نقل را مهر و موم کنید، ممکن است LiH را از دست بدهید. ”

این تیم علاوه بر تایید وجود LiH، یک معمای دیرینه دیگر پیرامون LiF را نیز حل کرد. LiF مدتهاست که به عنوان یک جزء مفید از رابط در نظر گرفته شده است، اما هیچ کس به طور کامل دلیل آن را درک نمی کند. این تیم تفاوت‌های ساختاری LiF را در رابط و بیشتر تفاوت‌های ساختاری خود LiF را تعیین کردند و دریافتند که اولی انتقال یون‌های لیتیوم را بین آند و کاتد ارتقا می‌دهد.

دانشمندان باتری از آزمایشگاه ملی بروکهاون، سایر آزمایشگاه های ملی و دانشگاه ها به همکاری ادامه می دهند. محققان گفتند که این نتایج راهنمایی های عملی بسیار مورد نیاز را برای توسعه آندهای فلزی لیتیوم ارائه می دهد.