Remiantis užsienio žiniasklaidos pranešimais, JAV Energetikos departamento (DOE) Brukhaveno nacionalinės laboratorijos (Brukhaveno nacionalinė laboratorija) mokslininkų grupė nustatė naujų detalių apie ličio metalo anodo baterijų vidinės reakcijos mechanizmą. , Svarbus žingsnis siekiant pigesnių elektromobilių akumuliatorių.

Brookhaven nacionalinės laboratorijos baterijų tyrinėtojai (vaizdo šaltinis: Brookhaven nacionalinė laboratorija)

Ličio anodo perdirbimas

Nuo išmaniųjų telefonų iki elektrinių transporto priemonių matome tradiciją. Nors ličio baterijos leido plačiai panaudoti daugelį technologijų, jos vis dar susiduria su iššūkiais tiekiant elektros transporto priemones dideliais atstumais.

Universiteto mokslininkų vadovaujamas aljansas „Battery500“, finansuojamas JAV Energetikos departamento Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos (PNNL) ir JAV Energetikos departamento, siekia sukurti baterijos elementą, kurio energijos tankis būtų 500 Wh/kg. Kitaip tariant, energijos tankis yra du kartus didesnis nei šiuolaikinių pažangiausių baterijų. Šiuo tikslu aljansas daugiausia dėmesio skiria akumuliatoriams, pagamintiems iš ličio metalo anodų.

Ličio metalo baterijose kaip anodas naudojamas ličio metalas. Priešingai, dauguma ličio baterijų naudoja grafitą kaip anodą. “Ličio anodas yra vienas iš pagrindinių veiksnių siekiant Battery500 energijos tankio tikslo”, – sakė mokslininkai. „Privalumas yra tas, kad energijos tankis yra du kartus didesnis nei esamų baterijų. Pirma, specifinė anodo talpa yra labai didelė; antra, galite turėti aukštesnės įtampos bateriją, o šių dviejų derinys gali turėti didesnį energijos tankį.

Mokslininkai jau seniai pripažino ličio anodų pranašumus; Tiesą sakant, ličio metalo anodas yra pirmasis anodas, sujungtas su akumuliatoriaus katodu. Tačiau dėl to, kad trūksta anodo „grįžtamumo“, ty galimybės įkrauti per grįžtamąją elektrocheminę reakciją, baterijų tyrinėtojai, gamindami ličio baterijas, panaudojo grafito anodus, o ne ličio metalo anodus.

Dabar, po dešimtmečius trukusios pažangos, mokslininkai įsitikinę, kad realizuoja grįžtamąjį ličio metalo anodą, kuris padidins ličio baterijų ribas. Svarbiausia yra sąsaja, kietos medžiagos sluoksnis, kuris susidaro ant akumuliatoriaus elektrodų elektrocheminės reakcijos metu.

„Jei galime visiškai suprasti šią sąsają, ji gali suteikti svarbių gairių, susijusių su medžiagų projektavimu ir grįžtamųjų ličio anodų gamyba“, – sakė mokslininkai. „Tačiau suprasti šią sąsają yra nemenkas iššūkis, nes tai labai plonas, vos kelių nanometrų storio medžiagos sluoksnis, jautrus orui ir drėgmei, todėl tvarkyti mėginius yra sudėtinga.

Ši sąsaja yra vizualizuota NSLS-II

Siekdami išspręsti šiuos iššūkius ir „pamatyti“ sąsajos cheminę sudėtį ir struktūrą, mokslininkai naudojo Nacionalinį sinchrotroninės spinduliuotės šviesos šaltinį II (NSLS-II), Brookhaven nacionalinės laboratorijos DOE mokslo biuro naudotojo įrenginį, kuris gamina itin ryškūs rentgeno spinduliai, skirti ištirti sąsajos medžiagų savybes atominėje skalėje.

Be pažangių nSLS-II galimybių, komanda taip pat turi naudoti pluošto liniją (eksperimentinę stotį), galinčią aptikti visus sąsajos komponentus, ir naudoti didelės energijos (trumpo bangos ilgio) rentgeno spindulius, kad aptiktų kristalinę medžiagą. ir amorfinės fazės.

„Chemijos komanda pasirinko XPD kelių režimų metodą, naudodama du skirtingus pluošto linijos, rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) ir pasiskirstymo funkcijos (PDF) analizės metodus“, – sakė mokslininkai. „XRD gali tirti kristalines fazes, o PDF – amorfines fazes.

XRD ir PDF analizė atskleidė įdomių rezultatų: sąsajoje yra ličio hidrido (LiH). Dešimtmečius mokslininkai ginčijasi dėl LiH egzistavimo sąsajoje, sukeldami netikrumą dėl pagrindinio reakcijos mechanizmo, kuris sudaro sąsają.

„LiH ir ličio fluoridas (LiF) turi labai panašias kristalų struktūras. Mūsų teiginį apie LiH atradimą suabejojo ​​kai kurie žmonės, manantys, kad mes klaidingai LiF su LiH“, – sakė mokslininkas.

Atsižvelgdama į prieštaravimus, susijusius su tyrimu ir techninius iššūkius, kylančius atskiriant LiH nuo LiF, tyrimo grupė nusprendė pateikti daugybę LiH egzistavimo įrodymų, įskaitant oro poveikio eksperimentų atlikimą.

„Mokslininkai sakė: „LiF yra stabilus ore, bet LiH yra nestabilus. Jei sąsają paveiksime į drėgną orą ir laikui bėgant junginio kiekis mažės, galime patvirtinti, kad iš tikrųjų matome LiH, o ne LiF, ir tai yra LiF. Dėl to, kad sunku atskirti LiH nuo LiF, o oro poveikio eksperimentas niekada nebuvo atliktas, daugelyje literatūros pranešimų LiH greičiausiai painiojamas su LiF arba jis nepastebimas dėl LiH skilimo drėgnoje aplinkoje. “

Tyrėjas tęsė. „PNNL atliktas mėginių paruošimo darbas yra labai svarbus šiam tyrimui. Įtariame, kad daugelis žmonių nesugeba identifikuoti LiH, nes prieš eksperimentą jų mėginiai buvo veikiami drėgnoje aplinkoje. Jei mėginius paėmėte netinkamai, užklijuokite mėginius ir siuntimo mėginius, galite praleisti LiH. “

Be LiH egzistavimo patvirtinimo, komanda taip pat išsprendė dar vieną ilgalaikę paslaptį, susijusią su LiF. LiF jau seniai buvo laikomas naudingu sąsajos komponentu, tačiau niekas iki galo nesupranta priežasties. Komanda nustatė LiF struktūrinius skirtumus sąsajoje ir daugumą paties LiF struktūrinių skirtumų ir nustatė, kad pirmasis paskatino ličio jonų transportavimą tarp anodo ir katodo.

Akumuliatorių mokslininkai iš Brookhaven nacionalinės laboratorijos, kitų nacionalinių laboratorijų ir universitetų toliau bendradarbiauja. Tyrėjai teigė, kad šie rezultatai suteiks labai reikalingų praktinių gairių kuriant ličio metalo anodus.