Ըստ արտասահմանյան լրատվամիջոցների՝ ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության (DOE) Բրուքհավենի ազգային լաբորատորիայի (Բրուքհեյվենի ազգային լաբորատորիայի) մի խումբ հետազոտողներ նոր մանրամասներ են պարզել լիթիում մետաղական անոդային մարտկոցների ներքին ռեակցիայի մեխանիզմի վերաբերյալ։ , Կարևոր քայլ էլեկտրական մեքենաների ավելի էժան մարտկոցների համար։

Բրուքհեյվենի ազգային լաբորատորիայի մարտկոցների հետազոտողներ (Պատկերի աղբյուր՝ Բրուքհևենի ազգային լաբորատորիա)

Լիթիումի անոդի վերամշակում

Սմարթ հեռախոսներից մինչև էլեկտրական մեքենաներ, մենք կարող ենք տեսնել ավանդույթը: Թեև լիթիումային մարտկոցները թույլ են տվել շատ տեխնոլոգիաների լայնորեն կիրառություն ունենալ, դրանք դեռևս բախվում են մարտահրավերների՝ էլեկտրամոբիլների համար հեռահար էներգիա ապահովելու հարցում:

Battery500 դաշինքը, որը ղեկավարվում է համալսարանական հետազոտողների կողմից, որը ֆինանսավորվում է ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի Խաղաղ օվկիանոսի հյուսիսարևմտյան ազգային լաբորատորիայի (PNNL) և ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության կողմից, նպատակ ունի ստեղծել 500Wh/kg էներգիայի խտությամբ մարտկոցի բջիջ: Այլ կերպ ասած, այն երկու անգամ գերազանցում է այսօրվա ամենաառաջադեմ մարտկոցների էներգիայի խտությունը: Այդ նպատակով դաշինքը կենտրոնանում է լիթիումի մետաղական անոդներից պատրաստված մարտկոցների վրա:

Լիթիում մետաղական մարտկոցները որպես անոդ օգտագործում են լիթիում մետաղ: Ի հակադրություն, լիթիումային մարտկոցների մեծ մասը որպես անոդ օգտագործում է գրաֆիտ: «Լիտիումի անոդը Battery500 էներգիայի խտության նպատակին հասնելու հիմնական գործոններից մեկն է», – ասում են հետազոտողները: «Առավելությունն այն է, որ էներգիայի խտությունը երկու անգամ գերազանցում է գոյություն ունեցող մարտկոցներին: Նախ, անոդի հատուկ հզորությունը շատ բարձր է. երկրորդը, դուք կարող եք ունենալ ավելի բարձր լարման մարտկոց, և այս երկուսի համակցությունը կարող է ունենալ ավելի մեծ էներգիայի խտություն»:

Գիտնականները վաղուց են ճանաչել լիթիումի անոդների առավելությունները. Իրականում, լիթիումի մետաղական անոդը առաջին անոդն է, որը միացված է մարտկոցի կաթոդին: Այնուամենայնիվ, անոդի «շրջելիության» բացակայության պատճառով, այսինքն՝ շրջելի էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի միջոցով լիցքավորվելու ունակության պատճառով, մարտկոցների հետազոտողները ի վերջո օգտագործեցին գրաֆիտային անոդներ՝ լիթիումի մետաղական անոդների փոխարեն՝ լիթիումային մարտկոցներ պատրաստելու համար:

Այժմ, տասնամյակների առաջընթացից հետո, հետազոտողները վստահ են, որ կստեղծեն շրջելի լիթիումի մետաղական անոդ՝ լիթիումի մարտկոցների սահմանները ճնշելու համար: Բանալին միջերեսն է՝ պինդ նյութական շերտը, որը առաջանում է մարտկոցի էլեկտրոդների վրա էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի ժամանակ։

«Եթե մենք կարողանանք լիովին հասկանալ այս ինտերֆեյսը, այն կարող է կարևոր ուղեցույց տրամադրել հետադարձելի լիթիումային անոդների նյութի նախագծման և արտադրության համար», – ասում են հետազոտողները: «Սակայն այս ինտերֆեյսը հասկանալը բավականին դժվար է, քանի որ այն նյութի շատ բարակ շերտ է, ընդամենը մի քանի նանոմետր հաստությամբ, և այն զգայուն է օդի և խոնավության նկատմամբ, ուստի նմուշների հետ աշխատելը բարդ է»:

Այս ինտերֆեյսը արտացոլված է NSLS-II-ում

Այս մարտահրավերները լուծելու և միջերեսի քիմիական բաղադրությունն ու կառուցվածքը «տեսնելու» համար հետազոտողները օգտագործել են Ազգային սինքրոտրոնային ճառագայթման լույսի աղբյուր II (NSLS-II), որը Բրուքհավենի ազգային լաբորատորիայի DOE գիտական ​​գրասենյակի օգտագործող հաստատությունն է, որն արտադրում է. գերպայծառ ռենտգենյան ճառագայթներ՝ միջերեսի նյութական հատկությունները ատոմային մասշտաբով ուսումնասիրելու համար:

Բացի nSLS-II-ի առաջադեմ հնարավորություններից օգտվելուց, թիմին անհրաժեշտ է նաև օգտագործել ճառագայթային գիծ (փորձարարական կայան), որը կարող է հայտնաբերել ինտերֆեյսի բոլոր բաղադրիչները, և օգտագործել բարձր էներգիայի (կարճ ալիքի երկարությամբ) ռենտգենյան ճառագայթներ՝ բյուրեղները հայտնաբերելու համար: և ամորֆ փուլերը:

«Քիմիայի թիմը որդեգրեց XPD բազմաֆունկցիոնալ մոտեցումը՝ օգտագործելով ճառագայթային գծի երկու տարբեր տեխնիկա՝ ռենտգենյան դիֆրակցիոն (XRD) և բաշխման ֆունկցիայի (PDF) վերլուծություն», – ասացին հետազոտողները: «XRD-ն կարող է ուսումնասիրել բյուրեղային փուլերը, իսկ PDF-ը՝ ամորֆ փուլերը»։

XRD և PDF վերլուծությունը ցույց տվեց հետաքրքիր արդյունքներ. ինտերֆեյսում գոյություն ունի լիթիումի հիդրիդ (LiH): Տասնամյակներ շարունակ գիտնականները վիճում էին միջերեսում LiH-ի գոյության մասին՝ անորոշություն ստեղծելով միջերեսը ձևավորող հիմնական ռեակցիայի մեխանիզմի վերաբերյալ:

«LiH-ը և լիթիումի ֆտորիդը (LiF) ունեն շատ նման բյուրեղային կառուցվածք: LiH-ի հայտնաբերման մասին մեր պնդումը կասկածի տակ է դրվել որոշ մարդկանց կողմից, ովքեր կարծում են, որ մենք LiF-ը շփոթում ենք LiH-ի հետ»,- ասել է հետազոտողը:

Հաշվի առնելով հետազոտության մեջ ներգրավված հակասությունները և LiH-ը LiF-ից տարբերելու տեխնիկական մարտահրավերները, հետազոտական ​​թիմը որոշեց տրամադրել բազմաթիվ ապացույցներ LiH-ի գոյության վերաբերյալ, ներառյալ օդային ազդեցության փորձարկումներ անցկացնելը:

«Հետազոտողները ասացին. «LiF-ը կայուն է օդում, բայց LiH-ն անկայուն է: Եթե ​​միջերեսը ենթարկենք խոնավ օդի, և եթե միացությունների քանակը ժամանակի ընթացքում նվազում է, մենք կարող ենք հաստատել, որ մենք իսկապես տեսնում ենք LiH, ոչ թե LiF, և դա LiF է: LiH-ից LiF-ից տարբերելու դժվարության պատճառով, և օդի ազդեցության փորձը նախկինում երբեք չի իրականացվել, LiH-ը, ամենայն հավանականությամբ, շփոթվում է LiF-ի հետ շատ գրական զեկույցներում, կամ այն ​​չի նկատվում խոնավ միջավայրում LiH-ի տարրալուծման պատճառով: »

Հետազոտողը շարունակեց. «PNNL-ի կողմից կատարված նմուշի պատրաստման աշխատանքը կարևոր նշանակություն ունի այս հետազոտության համար: Մենք կասկածում ենք, որ շատ մարդիկ չեն կարողանում նույնականացնել LiH-ը, քանի որ մինչ փորձարկումը նրանց նմուշները ենթարկվել են խոնավ միջավայրի»: Եթե ​​դուք ճիշտ չեք հավաքել նմուշները, կնքեք նմուշները և առաքման նմուշները, կարող եք բաց թողնել LiH-ը: »

Բացի LiH-ի գոյությունը հաստատելուց, թիմը նաև լուծեց LiF-ի հետ կապված մեկ այլ երկարամյա առեղծված: LiF-ը վաղուց համարվում էր ինտերֆեյսի շահավետ բաղադրիչ, բայց ոչ ոք լիովին չի հասկանում պատճառը: Թիմը որոշեց LiF-ի կառուցվածքային տարբերությունները միջերեսի ներսում և հենց LiF-ի կառուցվածքային տարբերությունների մեծ մասը, և պարզեց, որ առաջինը նպաստում է լիթիումի իոնների տեղափոխմանը անոդի և կաթոդի միջև:

Բրուքհավենի ազգային լաբորատորիայի, այլ ազգային լաբորատորիաների և համալսարանների մարտկոցների գիտնականները շարունակում են համագործակցել: Հետազոտողները ասացին, որ այս արդյունքները կտրամադրեն շատ անհրաժեշտ գործնական ուղեցույց լիթիումի մետաղական անոդների մշակման համար: