Menurut laporan media asing, sekelompok peneliti di Laboratorium Nasional Brookhaven (Laboratorium Nasional Brookhaven) dari Departemen Energi AS (DOE) telah menentukan rincian baru tentang mekanisme reaksi internal baterai anoda logam lithium. , Sebuah langkah penting untuk baterai kendaraan listrik yang lebih murah.

Peneliti baterai di Brookhaven National Laboratory (Sumber gambar: Brookhaven National Laboratory)

Remanufaktur Lithium Anode

Dari ponsel pintar hingga kendaraan listrik, kita bisa melihat tradisinya. Meskipun baterai lithium telah memungkinkan banyak teknologi untuk digunakan secara luas, mereka masih menghadapi tantangan dalam menyediakan daya jarak jauh untuk kendaraan listrik.

Battery500, aliansi yang dipimpin oleh peneliti universitas yang didanai oleh Laboratorium Nasional Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Departemen Energi AS dan Departemen Energi AS, bertujuan untuk membuat sel baterai dengan kepadatan energi 500Wh/kg. Dengan kata lain, ini adalah dua kali kepadatan energi baterai paling canggih saat ini. Untuk tujuan ini, aliansi berfokus pada baterai yang terbuat dari anoda logam lithium.

Baterai logam lithium menggunakan logam lithium sebagai anoda. Sebaliknya, kebanyakan baterai lithium menggunakan grafit sebagai anoda. “Anoda lithium adalah salah satu faktor kunci dalam mencapai tujuan kepadatan energi Battery500,” kata para peneliti. “Keuntungannya adalah kepadatan energinya dua kali lipat dari baterai yang ada. Pertama, kapasitas spesifik anoda sangat tinggi; kedua, Anda dapat memiliki baterai bertegangan lebih tinggi, dan kombinasi keduanya dapat memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi.”

Para ilmuwan telah lama mengakui keunggulan anoda lithium; sebenarnya, anoda logam lithium adalah anoda pertama yang digabungkan ke katoda baterai. Namun, karena kurangnya “reversibilitas” anoda, yaitu kemampuan untuk mengisi melalui reaksi elektrokimia reversibel, peneliti baterai akhirnya menggunakan anoda grafit daripada anoda logam lithium untuk membuat baterai lithium.

Sekarang, setelah beberapa dekade kemajuan, para peneliti yakin untuk mewujudkan anoda logam lithium yang dapat dibalik untuk mendorong batas baterai lithium. Kuncinya adalah antarmuka, lapisan material padat yang terbentuk pada elektroda baterai selama reaksi elektrokimia.

“Jika kita dapat sepenuhnya memahami antarmuka ini, ini dapat memberikan panduan penting untuk desain material dan pembuatan anoda lithium reversibel,” kata para peneliti. “Tetapi memahami antarmuka ini cukup menantang karena merupakan lapisan material yang sangat tipis, hanya beberapa nanometer, dan sensitif terhadap udara dan kelembaban, sehingga penanganan sampel menjadi rumit.”

Antarmuka ini divisualisasikan dalam NSLS-II

Untuk mengatasi tantangan ini dan “melihat” komposisi kimia dan struktur antarmuka, para peneliti menggunakan National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), fasilitas pengguna dari DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, yang menghasilkan sinar-X super terang untuk mempelajari sifat material antarmuka pada skala atom.

Selain menggunakan kemampuan canggih nSLS-II, tim juga perlu menggunakan beam line (stasiun eksperimental) yang dapat mendeteksi semua komponen antarmuka, dan menggunakan sinar-X energi tinggi (panjang gelombang pendek) untuk mendeteksi kristal. dan fase amorf.

“Tim kimia mengadopsi pendekatan multi-mode XPD, menggunakan dua teknik berbeda yang disediakan oleh beamline, analisis difraksi sinar-X (XRD) dan fungsi distribusi (PDF),” kata para peneliti. “XRD dapat mempelajari fase kristal, dan PDF dapat mempelajari fase amorf.”

Analisis XRD dan PDF mengungkapkan hasil yang menarik: Lithium hydride (LiH) ada di antarmuka. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah berdebat tentang keberadaan LiH di antarmuka, menciptakan ketidakpastian tentang mekanisme reaksi dasar yang membentuk antarmuka.

“LiH dan lithium fluoride (LiF) memiliki struktur kristal yang sangat mirip. Klaim kami tentang penemuan LiH telah dipertanyakan oleh beberapa orang yang percaya bahwa kami salah mengira LiF sebagai LiH, ”kata peneliti.

Mengingat kontroversi yang terlibat dalam penelitian dan tantangan teknis untuk membedakan LiH dari LiF, tim peneliti memutuskan untuk memberikan beberapa bukti keberadaan LiH, termasuk melakukan eksperimen paparan udara.

“Para peneliti mengatakan: “LiF stabil di udara, tetapi LiH tidak stabil. Jika kita mengekspos antarmuka ke udara lembab, dan jika jumlah senyawa berkurang dari waktu ke waktu, kita dapat memastikan bahwa kita memang melihat LiH, bukan LiF, dan itu adalah LiF. Karena sulitnya membedakan LiH dari LiF dan eksperimen paparan udara belum pernah dilakukan sebelumnya, LiH kemungkinan besar akan disalahartikan sebagai LiF dalam banyak laporan literatur, atau tidak diamati karena dekomposisi LiH di lingkungan yang lembab. ”

Peneliti melanjutkan. “Pekerjaan persiapan sampel yang dilakukan oleh PNNL sangat penting untuk penelitian ini. Kami menduga banyak orang gagal mengidentifikasi LiH karena sampel mereka terpapar lingkungan lembab sebelum eksperimen.” Jika Anda tidak mengumpulkan sampel dengan benar, segel sampel dan sampel Pengiriman, Anda mungkin kehilangan LiH. ”

Selain mengkonfirmasi keberadaan LiH, tim juga memecahkan misteri lama lainnya seputar LiF. LiF telah lama dianggap sebagai komponen antarmuka yang bermanfaat, tetapi tidak ada yang sepenuhnya memahami alasannya. Tim menentukan perbedaan struktural LiF dalam antarmuka dan sebagian besar perbedaan struktural LiF itu sendiri, dan menemukan bahwa yang pertama mempromosikan pengangkutan ion lithium antara anoda dan katoda.

Ilmuwan baterai dari Brookhaven National Laboratory, laboratorium nasional lainnya, dan universitas terus bekerja sama. Para peneliti mengatakan bahwa hasil ini akan memberikan panduan praktis yang sangat dibutuhkan untuk pengembangan anoda logam lithium.