על פי דיווחים בתקשורת זרה, קבוצת חוקרים במעבדה הלאומית ברוקהייבן (המעבדה הלאומית של ברוקהייבן) של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) קבעה פרטים חדשים על מנגנון התגובה הפנימי של סוללות האנודה של מתכת ליתיום. , צעד חשוב עבור מצברים זולים יותר לרכב חשמלי.

חוקרי סוללות במעבדה הלאומית ברוקהייבן (מקור תמונה: המעבדה הלאומית ברוקהייבן)

ייצור מחדש של אנודת ליתיום

מטלפונים חכמים ועד כלי רכב חשמליים, אנו יכולים לראות את המסורת. למרות שסוללות ליתיום אפשרו שימוש נרחב בטכנולוגיות רבות, הן עדיין מתמודדות עם אתגרים באספקת חשמל למרחקים ארוכים לכלי רכב חשמליים.

Battery500, ברית בראשות חוקרי אוניברסיטאות הממומנת על ידי המעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקני (PNNL) ומשרד האנרגיה האמריקאי, שואפת ליצור תא סוללה עם צפיפות אנרגיה של 500Wh/kg. במילים אחרות, מדובר בצפיפות האנרגיה כפולה מהסוללות המתקדמות ביותר של ימינו. לשם כך, הברית מתמקדת בסוללות העשויות מאנודות מתכת ליתיום.

סוללות מתכת ליתיום משתמשות במתכת ליתיום בתור האנודה. לעומת זאת, רוב סוללות הליתיום משתמשות בגרפיט בתור האנודה. “אנודת הליתיום היא אחד מגורמי המפתח בהשגת יעד צפיפות האנרגיה Battery500”, אמרו החוקרים. “היתרון הוא שצפיפות האנרגיה היא פי שניים מזו של סוללות קיימות. ראשית, הקיבולת הספציפית של האנודה גבוהה מאוד; שנית, אתה יכול לקבל סוללת מתח גבוה יותר, והשילוב של השניים יכול לקבל צפיפות אנרגיה גבוהה יותר.”

מדענים זיהו זה מכבר את היתרונות של אנודות ליתיום; למעשה, אנודת מתכת הליתיום היא האנודה הראשונה המחוברת לקתודה של הסוללה. עם זאת, בשל היעדר “הפיכות” של האנודה, כלומר, היכולת להיטען באמצעות תגובה אלקטרוכימית הפיכה, חוקרי סוללות סיימו להשתמש באנודות גרפיט במקום אנודות מתכת ליתיום לייצור סוללות ליתיום.

כעת, לאחר עשרות שנים של התקדמות, החוקרים בטוחים לממש אנודת מתכת ליתיום הפיכה כדי לדחוף את הגבולות של סוללות ליתיום. המפתח הוא הממשק, שכבת החומר המוצק שנוצרת על האלקטרודות של הסוללה במהלך התגובה האלקטרוכימית.

“אם נוכל להבין את הממשק הזה במלואו, הוא יכול לספק הדרכה חשובה לתכנון החומר וייצור של אנודות ליתיום הפיכות”, אמרו החוקרים. “אבל הבנת הממשק הזה היא אתגר לא קטן מכיוון שמדובר בשכבה דקה מאוד של חומר, בעובי של כמה ננומטרים בלבד, והיא רגישה לאוויר ולחות, כך שהטיפול בדגימות הוא מסובך”.

ממשק זה מוצג ב-NSLS-II

על מנת לפתור אתגרים אלה ו”לראות” את ההרכב הכימי ואת המבנה של הממשק, החוקרים השתמשו ב- National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), מתקן משתמש של משרד המדע DOE של המעבדה הלאומית ברוקהייבן, המייצר קרני רנטגן סופר בהירות ללימוד תכונות החומר של הממשק בקנה מידה אטומי.

בנוסף לשימוש ביכולות המתקדמות של nSLS-II, הצוות צריך להשתמש גם בקו קרן (תחנת ניסוי) שיכול לזהות את כל מרכיבי הממשק, ולהשתמש בקרני רנטגן באנרגיה גבוהה (באורך גל קצר) כדי לזהות גבישי ושלבים אמורפיים.

“צוות הכימיה אימץ את גישת ה-XPD multi-mode, תוך שימוש בשתי טכניקות שונות המסופקות על ידי קו הקרן, ניתוח דיפרקציה של קרני רנטגן (XRD) וניתוח תפקוד הפצה (PDF)”, אמרו החוקרים. “XRD יכול לחקור שלבים גבישיים, ו-PDF יכול לחקור שלבים אמורפיים.”

ניתוח XRD ו-PDF חשף תוצאות מרגשות: ליתיום הידריד (LiH) קיים בממשק. במשך עשרות שנים, מדענים מתווכחים על קיומו של LiH בממשק, ויוצרים אי ודאות לגבי מנגנון התגובה הבסיסי שיוצר את הממשק.

ל-LiH ולליתיום פלואוריד (LiF) יש מבני גביש דומים מאוד. הטענה שלנו לגבי גילוי LiH הוטלה בספק על ידי כמה אנשים המאמינים שאנו טועים ב-LiF ל-LiH”, אמר החוקר.

לאור המחלוקת הכרוכה במחקר והאתגרים הטכניים של הבחנה בין LiH ל-LiF, צוות המחקר החליט לספק ראיות רבות לקיומו של LiH, כולל עריכת ניסויים בחשיפה לאוויר.

“החוקרים אמרו: “LiF יציב באוויר, אבל LiH אינו יציב. אם נחשוף את הממשק לאוויר לח, ואם כמות התרכובת יורדת עם הזמן, נוכל לאשר שאנחנו אכן רואים LiH, לא LiF, וזה LiF. בשל הקושי להבחין בין LiH ל-LiF וניסוי החשיפה לאוויר מעולם לא בוצע בעבר, סביר להניח ש-LiH יטועה בטעות כ-LiF בדוחות ספרות רבים, או שהוא אינו נצפה עקב פירוק LiH בסביבה לחה. ”

החוקר המשיך. “עבודת ההכנה לדוגמא שנעשתה על ידי PNNL היא קריטית למחקר זה. אנו חושדים שאנשים רבים לא מצליחים לזהות את LiH מכיוון שהדגימות שלהם נחשפו לסביבה לחה לפני הניסוי”. אם לא אספת את הדוגמאות בצורה נכונה, אטום את הדוגמאות ודוגמאות המשלוח, אתה עלול לפספס את LiH. ”

בנוסף לאשר את קיומו של LiH, הצוות גם פתר תעלומה ארוכת שנים נוספת סביב LiF. LiF כבר מזמן נחשב למרכיב מועיל בממשק, אבל אף אחד לא מבין לגמרי את הסיבה. הצוות קבע את ההבדלים המבניים של LiF בתוך הממשק ואת רוב ההבדלים המבניים של LiF עצמו, ומצא שהראשון מקדם את ההובלה של יוני ליתיום בין האנודה לקתודה.

מדעני סוללות מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן, מעבדות לאומיות אחרות ואוניברסיטאות ממשיכים לשתף פעולה. החוקרים אמרו כי תוצאות אלו יספקו הדרכה מעשית נחוצה מאוד לפיתוח אנודות מתכת ליתיום.