Шетелдік БАҚ-тың хабарлауынша, АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) Брукхавен ұлттық зертханасының (Brookhaven National Laboratory) бір топ зерттеушілері литий металды анодты батареялардың ішкі реакция механизмі туралы жаңа мәліметтерді анықтады. , Арзан электр көлік батареялары үшін маңызды қадам.

Брукхавен ұлттық зертханасының батарея зерттеушілері (Сурет көзі: Brookhaven National Laboratory)

Литий анодын қайта өндіру

Смарт телефондардан электр көліктеріне дейін біз дәстүрді көре аламыз. Литий батареялары көптеген технологияларды кеңінен қолдануға мүмкіндік бергенімен, олар электр көліктерін ұзақ қашықтыққа электр қуатымен қамтамасыз етуде әлі де қиындықтарға тап болады.

Battery500, АҚШ Энергетика министрлігінің Тынық мұхитының солтүстік-батыс ұлттық зертханасы (PNNL) және АҚШ энергетика министрлігі қаржыландыратын университет зерттеушілері басқаратын альянс энергия тығыздығы 500 Вт/сағ болатын батарея ұяшығын жасауды мақсат етеді. Басқаша айтқанда, бұл қазіргі заманғы ең озық батареялардан екі есе энергия тығыздығы. Осы мақсатта альянс литий металл анодтарынан жасалған аккумуляторларға назар аударады.

Литий металл батареялары анод ретінде литий металды пайдаланады. Керісінше, литий батареяларының көпшілігі анод ретінде графитті пайдаланады. «Литий аноды Battery500 энергия тығыздығы мақсатына жетудің негізгі факторларының бірі болып табылады», – деді зерттеушілер. «Артықшылығы мынада, энергия тығыздығы бар батареялардан екі есе көп. Біріншіден, анодтың меншікті сыйымдылығы өте жоғары; екіншіден, сізде жоғары кернеулі батарея болуы мүмкін, ал екеуінің комбинациясы жоғарырақ энергия тығыздығына ие болуы мүмкін».

Ғалымдар литий анодтарының артықшылықтарын бұрыннан мойындады; шын мәнінде, литий металды анод батареяның катодына қосылған бірінші анод болып табылады. Алайда, анодтың «қайтымдылығының», яғни қайтымды электрохимиялық реакция арқылы зарядтау мүмкіндігінің болмауына байланысты аккумуляторды зерттеушілер литий батареяларын жасау үшін литий металл анодтарының орнына графит анодтарын қолданды.

Енді, ондаған жылдар бойғы прогрестен кейін, зерттеушілер литий батареяларының шегін итермелеу үшін қайтымды литий металл анодын жүзеге асыруға сенімді. Кілт – интерфейс, электрохимиялық реакция кезінде батареяның электродтарында пайда болатын қатты материал қабаты.

«Егер біз бұл интерфейсті толық түсінетін болсақ, ол материалды жобалау және қайтымды литий анодтарын өндіру үшін маңызды нұсқаулық бере алады», – деді зерттеушілер. «Бірақ бұл интерфейсті түсіну өте қиын, өйткені бұл материалдың өте жұқа қабаты, қалыңдығы бірнеше нанометр және ол ауа мен ылғалдылыққа сезімтал, сондықтан үлгілерді өңдеу қиын».

Бұл интерфейс NSLS-II ішінде визуалды

Осы міндеттерді шешу және интерфейстің химиялық құрамы мен құрылымын «көру» үшін зерттеушілер Брукхавен ұлттық зертханасының DOE ғылыми кеңсесінің пайдаланушы нысаны Ұлттық синхротрондық сәулелену жарық көзі II (NSLS-II) пайдаланды. атомдық масштабта интерфейстің материалдық қасиеттерін зерттеу үшін өте жарқын рентген сәулелері.

nSLS-II кеңейтілген мүмкіндіктерін пайдаланудан басқа, команда интерфейстің барлық компоненттерін анықтай алатын сәулелік сызықты (тәжірибелік станция) және кристалды анықтау үшін жоғары энергиялы (қысқа толқынды) рентген сәулелерін пайдалануы керек. және аморфты фазалар.

«Химия тобы сәуле сызығы, рентгендік дифракция (XRD) және тарату функциясы (PDF) талдауы арқылы қамтамасыз етілген екі түрлі әдісті қолдана отырып, XPD көп режимді әдісін қабылдады», – деді зерттеушілер. «XRD кристалдық фазаларды, ал PDF аморфты фазаларды зерттей алады».

XRD және PDF талдауы қызықты нәтижелерді көрсетті: интерфейсте литий гидриді (LiH) бар. Ғалымдар ондаған жылдар бойы интерфейсті құрайтын негізгі реакция механизмі туралы белгісіздік тудырып, интерфейсте LiH бар екендігі туралы дауласады.

«LiH және литий фторидінің (LiF) кристалдық құрылымдары өте ұқсас. Біздің LiH ашылуы туралы мәлімдемемізге LiF-ті LiH деп қателесеміз деп сенетін кейбір адамдар күмәнданды », – деді зерттеуші.

Зерттеуге қатысты қайшылықтарды және LiH-ті LiF-тен ажыратудың техникалық қиындықтарын ескере отырып, зерттеу тобы LiH бар екендігі туралы көптеген дәлелдемелерді, соның ішінде ауаға әсер ету эксперименттерін жүргізуді ұйғарды.

«Зерттеушілер: «LiF ауада тұрақты, бірақ LiH тұрақсыз. Егер интерфейсті ылғалды ауаға ұшыратсақ және уақыт өте келе қосылыс мөлшері азайса, біз шынымен LiF емес, LiH көріп тұрғанымызды растай аламыз және ол LiF. LiH-ті LiF-тен ажыратудың қиындығына және ауа экспозициясы эксперименті бұрын ешқашан орындалмағандықтан, LiH көптеген әдебиеттер есептерінде LiF-пен қателесуі мүмкін немесе ылғалды ортада LiH ыдырауына байланысты байқалмайды. »

Зерттеуші жалғастырды. «PNNL жасаған үлгіні дайындау жұмыстары осы зерттеу үшін өте маңызды. Біз көптеген адамдар LiH анықтай алмайды деп күдіктенеміз, өйткені олардың үлгілері эксперимент алдында ылғалды ортаға ұшыраған ». Үлгілерді дұрыс жинамасаңыз, үлгілерді және жеткізу үлгілерін жаппасаңыз, LiH жіберіп алуыңыз мүмкін. »

LiH бар екенін растаудан басқа, команда LiF айналасындағы тағы бір көптен бері құпияны шешті. LiF ұзақ уақыт бойы интерфейстің пайдалы құрамдас бөлігі болып саналды, бірақ оның себебін ешкім толық түсінбейді. Команда LiF интерфейсіндегі құрылымдық айырмашылықтарды және LiF құрылымдық айырмашылықтарының көпшілігін анықтады және біріншісі анод пен катод арасында литий иондарының тасымалдануына ықпал ететінін анықтады.

Брукхавен ұлттық зертханасының, басқа ұлттық зертханалардың және университеттердің аккумулятор ғалымдары ынтымақтастықты жалғастыруда. Зерттеушілер бұл нәтижелер литий металл анодтарын жасау үшін өте қажет практикалық нұсқаулықты қамтамасыз ететінін айтты.