外国メディアの報道によると、米国エネルギー省（DOE）のブルックヘブン国立研究所（ブルックヘブン国立研究所）の研究者グループが、リチウム金属アノード電池の内部反応メカニズムに関する新しい詳細を決定しました。 、より安価な電気自動車用バッテリーの重要なステップ。

ブルックヘブン国立研究所の電池研究者（画像出典：ブルックヘブン国立研究所）

リチウムアノードの再製造

スマートフォンから電気自動車まで、その伝統を見ることができます。 リチウム電池は多くの技術を広く使用することを可能にしましたが、電気自動車に長距離電力を供給するという課題に直面しています。

米国エネルギー省のパシフィックノースウェスト国立研究所（PNNL）と米国エネルギー省が資金提供する大学の研究者が主導するアライアンスであるBattery500は、エネルギー密度が500Wh / kgのバッテリーセルの作成を目指しています。 言い換えれば、それは今日の最先端のバッテリーのXNUMX倍のエネルギー密度です。 この目的のために、同盟はリチウム金属アノードで作られたバッテリーに焦点を当てています。

リチウム金属電池は、アノードとしてリチウム金属を使用します。 対照的に、ほとんどのリチウム電池は、アノードとしてグラファイトを使用しています。 「リチウムアノードは、Battery500のエネルギー密度の目標を達成するための重要な要素のXNUMXつです」と研究者は述べています。 「利点は、エネルギー密度が既存のバッテリーのXNUMX倍であることです。 まず、アノードの比容量が非常に高いです。 第二に、より高い電圧のバッテリーを持つことができ、XNUMXつの組み合わせはより高いエネルギー密度を持つことができます。」

科学者たちは、リチウムアノードの利点を長い間認識してきました。 実際、リチウム金属アノードは、バッテリーのカソードに結合された最初のアノードです。 しかし、アノードの「可逆性」、つまり可逆的な電気化学反応によって充電する能力がないため、電池の研究者は、リチウム金属アノードの代わりにグラファイトアノードを使用してリチウム電池を製造することになりました。

現在、数十年の進歩の後、研究者は、リチウム電池の限界を押し上げるための可逆的なリチウム金属アノードを実現することに自信を持っています。 重要なのは、電気化学反応中に電池の電極上に形成される固体材料層であるインターフェースです。

「このインターフェースを完全に理解できれば、可逆リチウムアノードの材料設計と製造に重要なガイダンスを提供できます」と研究者らは述べています。 「しかし、このインターフェースは非常に薄い材料の層であり、厚さがわずか数ナノメートルであり、空気や湿度に敏感であるため、このインターフェースを理解することは非常に困難です。そのため、サンプルの取り扱いには注意が必要です。」

このインターフェースはNSLS-IIで視覚化されます

これらの課題を解決し、界面の化学組成と構造を「見る」ために、研究者はブルックヘブン国立研究所のDOE科学オフィスのユーザー施設である国立シンクロトロン放射光源II（NSLS-II）を使用しました。原子スケールで界面の材料特性を研究するための超高輝度X線。

チームは、nSLS-IIの高度な機能を使用することに加えて、インターフェイスのすべてのコンポーネントを検出できるビームライン（実験ステーション）を使用し、高エネルギー（短波長）X線を使用して結晶を検出する必要があります。およびアモルファス相。

「化学チームは、ビームラインによって提供されるXNUMXつの異なる技術、X線回折（XRD）と分布関数（PDF）分析を使用して、XPDマルチモードアプローチを採用しました」と研究者は述べています。 「XRDは結晶相を研究でき、PDFはアモルファス相を研究できます。」

XRDおよびPDF分析により、エキサイティングな結果が明らかになりました。水素化リチウム（LiH）が界面に存在します。 何十年もの間、科学者たちは界面にLiHが存在することについて議論しており、界面を形成する基本的な反応メカニズムについて不確実性を生み出しています。

「LiHとフッ化リチウム（LiF）の結晶構造は非常に似ています。 LiHの発見に関する私たちの主張は、私たちがLiFをLiHと間違えていると信じている一部の人々から疑問視されています」と研究者は述べています。

研究に伴う論争とLiHとLiFを区別する技術的課題を考慮して、研究チームは、空気曝露実験の実施を含む、LiHの存在に関する複数の証拠を提供することを決定しました。

「研究者は次のように述べています。「LiFは空気中で安定していますが、LiHは不安定です。 界面を湿った空気にさらし、化合物の量が時間の経過とともに減少する場合、LiFではなくLiHが実際に見られていることを確認できます。これはLiFです。 LiHとLiFを区別することは困難であり、大気暴露実験はこれまでに行われたことがないため、LiHは多くの文献レポートでLiFと間違えられる可能性が高いか、湿度の高い環境でのLiH分解のために観察されません。 」

研究者は続けた。 「PNNLによって行われたサンプル準備作業は、この研究にとって重要です。 実験前にサンプルが湿度の高い環境にさらされていたため、多くの人がLiHを特定できないと思われます。」 サンプルを正しく収集しなかった場合、サンプルと出荷サンプルを封印すると、LiHを見逃す可能性があります。 」

チームは、LiHの存在を確認することに加えて、LiFを取り巻くもうXNUMXつの長年の謎も解決しました。 LiFは長い間、インターフェースの有益なコンポーネントと見なされてきましたが、その理由を完全に理解している人は誰もいません。 チームは、界面内のLiFの構造の違いと、LiF自体の構造の違いのほとんどを決定し、前者がアノードとカソードの間のリチウムイオンの輸送を促進することを発見しました。

ブルックヘブン国立研究所、他の国立研究所、および大学の電池科学者は引き続き協力しています。 研究者らは、これらの結果は、リチウム金属アノードの開発に非常に必要とされている実用的なガイダンスを提供すると述べました。