Prema izvješćima stranih medija, skupina istraživača u Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) američkog Ministarstva energetike (DOE) utvrdila je nove detalje o unutarnjem mehanizmu reakcije litij metalnih anodnih baterija. , Važan korak za jeftinije baterije za električna vozila.

Istraživači baterija u Brookhaven National Laboratory (Izvor slike: Brookhaven National Laboratory)

Obnova litijeve anode

Od pametnih telefona do električnih vozila, možemo vidjeti tradiciju. Iako su litijeve baterije omogućile široku upotrebu mnogih tehnologija, one se i dalje suočavaju s izazovima u osiguravanju električne energije na velike udaljenosti za električna vozila.

Battery500, savez predvođen sveučilišnim istraživačima financiran od strane Pacifičkog sjeverozapadnog nacionalnog laboratorija američkog Ministarstva energetike (PNNL) i američkog Ministarstva energetike, ima za cilj stvoriti baterijsku ćeliju s gustoćom energije od 500 Wh/kg. Drugim riječima, to je dvostruko veća gustoća energije od današnjih najnaprednijih baterija. U tu svrhu, savez se usredotočuje na baterije izrađene od litij metalnih anoda.

Litij metalne baterije koriste metalni litij kao anodu. Nasuprot tome, većina litijevih baterija koristi grafit kao anodu. “Litijska anoda je jedan od ključnih čimbenika u postizanju cilja gustoće energije Battery500”, rekli su istraživači. “Prednost je što je gustoća energije dvostruko veća od postojećih baterija. Prvo, specifični kapacitet anode je vrlo visok; drugo, možete imati bateriju višeg napona, a kombinacija ova dva može imati veću gustoću energije.”

Znanstvenici su odavno prepoznali prednosti litijevih anoda; zapravo, litijeva metalna anoda je prva anoda spojena na katodu baterije. Međutim, zbog nedostatka “reverzibilnosti” anode, odnosno sposobnosti punjenja kroz reverzibilnu elektrokemijsku reakciju, istraživači baterija su na kraju upotrijebili grafitne anode umjesto litij metalnih anoda za izradu litijevih baterija.

Sada, nakon desetljeća napretka, istraživači su uvjereni da će realizirati reverzibilnu litij metalnu anodu kako bi pomaknuli granice litijevih baterija. Ključ je sučelje, sloj čvrstog materijala koji nastaje na elektrodama baterije tijekom elektrokemijske reakcije.

“Ako možemo u potpunosti razumjeti ovo sučelje, ono može pružiti važne smjernice za dizajn materijala i proizvodnju reverzibilnih litijevih anoda”, rekli su istraživači. “Ali razumijevanje ovog sučelja priličan je izazov jer je to vrlo tanak sloj materijala, debeo samo nekoliko nanometara, i osjetljiv je na zrak i vlagu, pa je rukovanje uzorcima teško.”

Ovo sučelje je vizualizirano u NSLS-II

Kako bi riješili ove izazove i “vidjeli” kemijski sastav i strukturu sučelja, istraživači su koristili Nacionalni izvor svjetlosti sinkrotronskog zračenja II (NSLS-II), korisnički objekt Znanstvenog ureda DOE Nacionalnog laboratorija Brookhaven, koji proizvodi super svijetle X-zrake za proučavanje materijalnih svojstava sučelja na atomskoj skali.

Osim korištenja naprednih mogućnosti nSLS-II, tim također treba koristiti liniju snopa (eksperimentalnu stanicu) koja može detektirati sve komponente sučelja i koristiti visokoenergetske (kratke valne) X-zrake za otkrivanje kristalnih i amorfne faze.

“Kemijski tim usvojio je XPD multi-mode pristup, koristeći dvije različite tehnike koje pruža snop zraka, difrakciju rendgenskih zraka (XRD) i analizu funkcije distribucije (PDF),” rekli su istraživači. “XRD može proučavati kristalne faze, a PDF može proučavati amorfne faze.”

XRD i PDF analiza otkrila je uzbudljive rezultate: Litijev hidrid (LiH) postoji u sučelju. Desetljećima se znanstvenici raspravljaju o postojanju LiH u sučelju, stvarajući nesigurnost o osnovnom mehanizmu reakcije koji tvori sučelje.

“LiH i litij fluorid (LiF) imaju vrlo slične kristalne strukture. Našu tvrdnju o otkriću LiH doveli su u pitanje neki ljudi koji vjeruju da pomiješamo LiF s LiH”, rekao je istraživač.

S obzirom na kontroverzu uključenu u studiju i tehničke izazove razlikovanja LiH od LiF-a, istraživački tim odlučio je pružiti više dokaza za postojanje LiH, uključujući provođenje eksperimenata izlaganja zraku.

“Istraživači su rekli: “LiF je stabilan u zraku, ali LiH je nestabilan. Ako izložimo sučelje vlažnom zraku i ako se količina spoja s vremenom smanji, možemo potvrditi da doista vidimo LiH, a ne LiF, i to je LiF. Zbog teškoća razlikovanja LiH od LiF-a i eksperimenta s izlaganjem zraku nikada prije nije proveden, LiH će se najvjerojatnije zamijeniti za LiF u mnogim literaturnim izvješćima ili se ne opaža zbog razgradnje LiH-a u vlažnom okruženju. ”

Istraživač je nastavio. “Priprema uzorka koju je obavio PNNL ključan je za ovo istraživanje. Sumnjamo da mnogi ljudi ne uspijevaju identificirati LiH jer su njihovi uzorci bili izloženi vlažnom okruženju prije eksperimenta.” Ako niste pravilno prikupili uzorke, zapečatili uzorke i uzorke za otpremu, možda ćete propustiti LiH. ”

Osim što je potvrdio postojanje LiH-a, tim je također riješio još jednu dugogodišnju misteriju oko LiF-a. LiF se dugo smatrao korisnom komponentom sučelja, ali nitko u potpunosti ne razumije razlog. Tim je utvrdio strukturne razlike LiF-a unutar sučelja i većinu strukturnih razlika samog LiF-a i otkrio da prvi promiče transport litijevih iona između anode i katode.

Znanstvenici za baterije iz Brookhaven National Laboratory, drugih nacionalnih laboratorija i sveučilišta nastavljaju surađivati. Istraživači su rekli da će ovi rezultati pružiti prijeko potrebne praktične smjernice za razvoj litij metalnih anoda.