Чет элдик басылмалардын маалыматына ылайык, АКШнын Энергетика министрлигинин (DOE) Брукхавен улуттук лабораториясынын (Брукхавен улуттук лабораториясы) изилдөөчүлөр тобу литий-металл анод батареяларынын ички реакциясынын механизми жөнүндө жаңы деталдарды аныкташты. , Арзан электр унаа аккумуляторлору үчүн маанилүү кадам.

Brookhaven Улуттук лабораториясынын батарея изилдөөчүлөрү (Сүрөт булагы: Brookhaven National Laboratory)

Литий анодун кайра иштетүү

Акылдуу телефондордон электр унааларына чейин салтты көрө алабыз. Литий батарейкалар көптөгөн технологияларды кеңири колдонууга мүмкүндүк бергенине карабастан, алар дагы эле электр унааларын алыскы аралыкта электр энергиясы менен камсыз кылууда кыйынчылыктарга туш болушат.

АКШнын Энергетика министрлигинин Тынч океандын түндүк-батыш улуттук лабораториясы (PNNL) жана АКШнын Энергетика министрлиги тарабынан каржыланган университеттин изилдөөчүлөрү жетектеген Battery500 альянсы энергиянын тыгыздыгы 500 Вт/саат болгон батарея клеткасын түзүүнү көздөйт. Башкача айтканда, бул азыркы эң өнүккөн батареялардан эки эсе көп энергия тыгыздыгы. Бул үчүн альянс литий-металл аноддордон жасалган батареяларга басым жасайт.

Литий металл батареялары анод катары литий металлды колдонушат. Ал эми көпчүлүк литий батареялары анод катары графитти колдонушат. “Литий аноду Battery500 энергия тыгыздыгы максатына жетүү үчүн негизги факторлордун бири болуп саналат”, изилдөөчүлөр билдирди. «Артыкчылыгы – энергиянын тыгыздыгы азыркы батареялардан эки эсе көп. Биринчиден, аноддун өзгөчө кубаттуулугу абдан жогору; экинчиден, сизде жогорку чыңалуудагы батарейка болушу мүмкүн, ал эми экөөнүн айкалышында энергиянын тыгыздыгы жогору болушу мүмкүн».

Окумуштуулар литий аноддорунун артыкчылыктарын көптөн бери түшүнүшкөн; чындыгында, литий металл анод батареянын катодуна кошулган биринчи анод болуп саналат. Бирок аноддун «кайтарымдуулугунун» жоктугунан, башкача айтканда, реверсивдүү электрохимиялык реакция аркылуу заряддоо мүмкүнчүлүгү жок болгондуктан, аккумуляторду изилдөөчүлөр литий батарейкаларын жасоо үчүн литий металл аноддорунун ордуна графит аноддорун колдонушту.

Эми, ондогон жылдар бою жетишкендиктерден кийин, изилдөөчүлөр литий батарейкаларынын чектерин түртүү үчүн кайра литий металл анодун ишке ашырууга ишенишет. Негизги интерфейс, электрохимиялык реакция учурунда батареянын электроддорунда пайда болгон катуу материалдык катмар.

“Эгерде биз бул интерфейсти толугу менен түшүнө алсак, анда ал реверсивдүү литий аноддорунун материалдык дизайны жана өндүрүшү үчүн маанилүү көрсөтмөлөрдү бере алат” деди изилдөөчүлөр. “Бирок бул интерфейсти түшүнүү кыйынга турат, анткени бул материалдын өтө жука катмары, калыңдыгы бир нече нанометр жана ал абага жана нымдуулукка сезгич, ошондуктан үлгүлөрдү иштетүү татаал.”

Бул интерфейс NSLS-IIде визуализацияланган

Бул көйгөйлөрдү чечүү жана интерфейстин химиялык курамын жана түзүмүн “көрүү” үчүн изилдөөчүлөр Брукхавен Улуттук лабораториясынын DOE Илимий кеңсесинин колдонуучу мекемеси болгон Улуттук синхротрондук нурлануунун жарык булагы II (NSLS-II) колдонушту. атомдук масштабда интерфейстин материалдык касиеттерин изилдөө үчүн супер жаркыраган рентген нурлары.

nSLS-IIнин өркүндөтүлгөн мүмкүнчүлүктөрүн колдонуудан тышкары, команда интерфейстин бардык компоненттерин аныктай алган нур линиясын (эксперименталдык станция) жана кристаллдыкты аныктоо үчүн жогорку энергиялуу (кыска толкун узундуктагы) рентген нурларын колдонушу керек. жана аморфтук фазалар.

“Химия командасы XPD көп режимдүү ыкмасын кабыл алды, нур сызыгы, рентген нурларынын дифракциясы (XRD) жана бөлүштүрүү функциясы (PDF) анализи тарабынан берилген эки башка ыкманы колдонуу менен”, – деди изилдөөчүлөр. “XRD кристаллдык фазаларды, ал эми PDF аморфтук фазаларды изилдей алат.”

XRD жана PDF анализи кызыктуу жыйынтыктарды көрсөттү: интерфейсте литий гидрид (LiH) бар. Ондогон жылдар бою окумуштуулар интерфейсте LiH бар экендиги жөнүндө талашып-тартышып, интерфейсти түзгөн негизги реакция механизми боюнча белгисиздикти жаратып келишет.

«LiH жана литий фториди (LiF) абдан окшош кристаллдык түзүлүшкө ээ. LiH ачылышы жөнүндөгү биздин дооматыбызга LiFти LiH деп жаңылыштырабыз деп ишенген кээ бир адамдар шек тууду», – деди изилдөөчү.

Изилдөөдөгү талаш-тартыштарды жана LiHди LiFтен айырмалоодогу техникалык кыйынчылыктарды эске алуу менен, изилдөө тобу LiH бар экендигине бир нече далилдерди берүүнү чечти, анын ичинде абага экспозициялык эксперименттерди жүргүзүү.

“Изилдөөчүлөр: “LiF абада туруктуу, ал эми LiH туруксуз. Эгерде интерфейсти нымдуу абага дуушар кылсак жана кошулмалардын саны убакыттын өтүшү менен азайса, биз чындап эле LiF эмес, LiH көрүп жатканыбызды тастыктай алабыз жана ал LiF. LiHди LiFтен айырмалоо кыйындыгынан жана аба экспозициясы эксперименти мурда эч качан жасалган эмес, LiH көп адабияттык отчеттордо LiF менен жаңылышы мүмкүн же нымдуу чөйрөдө LiH ажыроосунан улам байкалбайт. ”

изилдөөчү улантты. “PNNL тарабынан жасалган үлгү даярдоо иши бул изилдөө үчүн абдан маанилүү болуп саналат. Биз көптөгөн адамдар LiHди аныктай алышпайт деп шектенип жатабыз, анткени алардын үлгүлөрү экспериментке чейин нымдуу чөйрөгө дуушар болгон. Эгерде сиз үлгүлөрдү туура чогултпасаңыз, үлгүлөрдү жана Жеткирүү үлгүлөрүн мөөр бассаңыз, сиз LiHди өткөрүп жиберишиңиз мүмкүн. ”

LiH бар экенин тастыктоодон тышкары, команда LiFтин айланасындагы дагы бир көптөн бери келе жаткан сырды чечти. LiF көптөн бери интерфейстин пайдалуу компоненти катары каралып келген, бирок анын себебин эч ким толук түшүнө албайт. Команда LiFтин интерфейсинин ичиндеги структуралык айырмачылыктарды жана LiFтин өзүнүн структуралык айырмачылыктарынын көбүн аныктап, биринчиси анод менен катоддун ортосунда литий иондорунун ташылышын шарттаганын аныктады.

Брукхавен улуттук лабораториясынын, башка улуттук лабораториялардын жана университеттердин батарея илимпоздору кызматташууну улантууда. Окумуштуулардын айтымында, бул жыйынтыктар литий металл аноддорун иштеп чыгуу үчүн абдан керектүү практикалык жетекчиликти камсыз кылат.