Külföldi sajtóértesülések szerint az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Brookhaven Nemzeti Laboratóriumának (Brookhaven National Laboratory) kutatóinak egy csoportja új részleteket állapított meg a lítium fémanód akkumulátorok belső reakciómechanizmusával kapcsolatban. , Fontos lépés az olcsóbb elektromos járművek akkumulátoraiért.

A Brookhaven National Laboratory akkumulátorkutatói (Kép forrása: Brookhaven National Laboratory)

A lítium anód újragyártása

Az okostelefonoktól az elektromos járművekig láthatjuk a hagyományt. Bár a lítium akkumulátorok számos technológia széles körben történő alkalmazását teszik lehetővé, még mindig kihívásokkal kell szembenézniük az elektromos járművek hosszú távú energiaellátása terén.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által finanszírozott, egyetemi kutatók által vezetett Battery500 szövetség 500 Wh/kg energiasűrűségű akkumulátorcellát kíván létrehozni. Más szóval kétszer akkora az energiasűrűsége, mint a mai legfejlettebb akkumulátoroké. Ennek érdekében a szövetség a lítium fém anódokból készült akkumulátorokra összpontosít.

A fém lítium akkumulátorok lítium fémet használnak anódként. Ezzel szemben a legtöbb lítium akkumulátor grafitot használ anódként. “A lítium anód az egyik kulcsfontosságú tényező a Battery500 energiasűrűségi cél elérésében” – mondták a kutatók. „Az előnye, hogy az energiasűrűség kétszerese a meglévő akkumulátorokénak. Először is, az anód fajlagos kapacitása nagyon magas; Másodszor, nagyobb feszültségű akkumulátorral rendelkezhet, és a kettő kombinációja nagyobb energiasűrűséggel rendelkezik.”

A tudósok régóta felismerték a lítium anódok előnyeit; valójában a lítium fém anód az első anód, amely az akkumulátor katódjához kapcsolódik. Az anód „reverzibilitásának” hiánya, vagyis a reverzibilis elektrokémiai reakció révén történő töltési képesség hiánya miatt azonban az akkumulátorkutatók végül lítium fémanódok helyett grafit anódokat használtak lítium akkumulátorok előállításához.

Most, több évtizedes haladás után, a kutatók biztosak abban, hogy kitalálnak egy reverzibilis fém lítium anódot, amellyel a lítium akkumulátorok határait feszegetnék. A kulcs az interfész, az a szilárd anyagréteg, amely az akkumulátor elektródáin képződik az elektrokémiai reakció során.

“Ha teljesen megértjük ezt a felületet, akkor fontos útmutatást adhat a reverzibilis lítium anódok anyagtervezéséhez és gyártásához” – mondták a kutatók. “De ennek az interfésznek a megértése nagy kihívás, mert nagyon vékony anyagréteg, mindössze néhány nanométer vastag, és érzékeny a levegőre és a páratartalomra, így a minták kezelése bonyolult.”

Ez a felület az NSLS-II-ben látható

E kihívások megoldására és a felület kémiai összetételének és szerkezetének „megtekintésére” a kutatók a National Synchrotron Radiation Light Source II-t (NSLS-II), a DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory felhasználói létesítményét használták, amely szuperfényes röntgensugarak a határfelület anyagi tulajdonságainak atomi skálán történő tanulmányozására.

Az nSLS-II fejlett képességeinek felhasználása mellett a csapatnak olyan nyalábvonalat (kísérleti állomást) is kell használnia, amely képes észlelni az interfész összes komponensét, és nagy energiájú (rövid hullámhosszú) röntgensugarat kell használnia a kristályos anyagok kimutatására. és amorf fázisok.

“A kémikus csapat az XPD többmódusú megközelítést alkalmazta, a sugárvonal két különböző technikáját, a röntgendiffrakciós (XRD) és az eloszlási függvény (PDF) elemzését alkalmazva” – mondták a kutatók. “Az XRD képes a kristályos fázisokat, a PDF pedig az amorf fázisokat tanulmányozni.”

Az XRD és a PDF elemzés izgalmas eredményeket tárt fel: lítium-hidrid (LiH) található a felületen. A tudósok évtizedek óta vitatkoznak a LiH létezéséről a felületen, ami bizonytalanságot kelt az interfészt alkotó alapvető reakciómechanizmussal kapcsolatban.

„A LiH és a lítium-fluorid (LiF) kristályszerkezete nagyon hasonló. A LiH felfedezésével kapcsolatos állításunkat megkérdőjelezték néhányan, akik úgy vélik, hogy a LiF-et összetévesztjük a LiH-val” – mondta a kutató.

Tekintettel a tanulmányban rejlő ellentmondásokra és a LiH és a LiF megkülönböztetésének technikai kihívásaira, a kutatócsoport úgy döntött, hogy több bizonyítékot is bemutat a LiH létezésére, beleértve a levegő expozíciós kísérletek elvégzését.

“A kutatók azt mondták: “A LiF stabil a levegőben, de a LiH instabil. Ha a felületet nedves levegőnek tesszük ki, és ha a vegyület mennyisége idővel csökken, akkor megerősíthetjük, hogy valóban LiH-t látunk, nem LiF-et, és ez LiF. Mivel a LiH-t nehéz megkülönböztetni a LiF-től, és a levegő expozíciós kísérletet még soha nem végezték el, a LiH-t nagy valószínűséggel összetévesztik a LiF-vel számos irodalmi jelentésben, vagy nem figyelték meg a LiH nedves környezetben történő bomlása miatt. ”

A kutató folytatta. „A PNNL által végzett minta-előkészítés kritikus fontosságú a kutatás szempontjából. Gyanítjuk, hogy sokan nem tudják azonosítani a LiH-t, mert a mintáikat nedves környezetnek tették ki a kísérlet előtt. Ha nem megfelelően gyűjtötte be a mintákat, zárja le a mintákat és a Szállítási mintákat, előfordulhat, hogy kihagyja a LiH-t. ”

A LiH létezésének megerősítése mellett a csapat egy másik, a LiF körüli régóta fennálló rejtélyt is megoldott. A LiF-et már régóta az interfész előnyös összetevőjének tartják, de senki sem érti teljesen az okát. A csapat meghatározta a LiF szerkezeti különbségeit az interfészen belül, és magának a LiF-nek a legtöbb szerkezeti különbségét, és megállapította, hogy az előbbi elősegítette a lítium-ionok transzportját az anód és a katód között.

A Brookhaven National Laboratory, más nemzeti laboratóriumok és egyetemek akkumulátorkutatói továbbra is együttműködnek. A kutatók azt mondták, hogy ezek az eredmények nagyon szükséges gyakorlati útmutatást fognak adni a lítium fém anódok fejlesztéséhez.