Kā vēsta ārvalstu mediji, pētnieku grupa ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Brukhavenas Nacionālajā laboratorijā (Brukhaven National Laboratory) noteikusi jaunas detaļas par litija metāla anoda akumulatoru iekšējās reakcijas mehānismu. , Svarīgs solis lētāku elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru virzienā.

Akumulatoru pētnieki Brookhaven National Laboratory (Attēla avots: Brookhaven National Laboratory)

Litija anoda atkārtota ražošana

No viedtālruņiem līdz elektriskajiem transportlīdzekļiem mēs varam redzēt tradīcijas. Lai gan litija baterijas ir ļāvušas plaši izmantot daudzas tehnoloģijas, tās joprojām saskaras ar problēmām, nodrošinot elektromobiļu enerģiju lielos attālumos.

ASV Enerģētikas departamenta Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālās laboratorijas (PNNL) un ASV Enerģētikas departamenta finansētās universitātes pētnieku vadītās alianses Battery500 mērķis ir izveidot akumulatora elementu ar enerģijas blīvumu 500 Wh/kg. Citiem vārdiem sakot, tas ir divreiz lielāks nekā mūsdienu modernāko akumulatoru enerģijas blīvums. Šim nolūkam alianse koncentrējas uz akumulatoriem, kas izgatavoti no litija metāla anodiem.

Litija metāla akumulatori izmanto litija metālu kā anodu. Turpretim lielākā daļa litija bateriju izmanto grafītu kā anodu. “Litija anods ir viens no galvenajiem faktoriem, lai sasniegtu Battery500 enerģijas blīvuma mērķi,” sacīja pētnieki. “Priekšrocība ir tāda, ka enerģijas blīvums ir divreiz lielāks nekā esošajām baterijām. Pirmkārt, anoda īpašā kapacitāte ir ļoti augsta; otrkārt, jums var būt augstāka sprieguma akumulators, un abu kombinācijai var būt lielāks enerģijas blīvums.

Zinātnieki jau sen ir atzinuši litija anodu priekšrocības; patiesībā litija metāla anods ir pirmais anods, kas savienots ar akumulatora katodu. Tomēr, tā kā anodam trūka “atgriezeniskuma”, tas ir, spēja uzlādēties ar atgriezenisku elektroķīmisku reakciju, akumulatoru pētnieki litija metāla anodu vietā izmantoja grafīta anodus, lai izgatavotu litija baterijas.

Tagad, pēc gadu desmitiem ilga progresa, pētnieki ir pārliecināti, ka viņi realizēs atgriezenisku litija metāla anodu, lai palielinātu litija bateriju robežas. Galvenais ir saskarne, cietā materiāla slānis, kas veidojas uz akumulatora elektrodiem elektroķīmiskās reakcijas laikā.

“Ja mēs varam pilnībā izprast šo saskarni, tas var sniegt svarīgus norādījumus par materiālu projektēšanu un atgriezenisku litija anodu ražošanu,” sacīja pētnieki. “Taču šīs saskarnes izpratne ir diezgan grūts uzdevums, jo tas ir ļoti plāns materiāla slānis, tikai dažus nanometrus biezs, un tas ir jutīgs pret gaisu un mitrumu, tāpēc rīkoties ar paraugiem ir sarežģīti.”

Šī saskarne ir vizualizēta NSLS-II

Lai atrisinātu šīs problēmas un “skatītu” saskarnes ķīmisko sastāvu un struktūru, pētnieki izmantoja Nacionālo sinhrotronu starojuma gaismas avotu II (NSLS-II), kas ir Brukhevenas Nacionālās laboratorijas DOE Zinātnes biroja lietotāju iekārta, kas ražo īpaši spilgti rentgena stari, lai pētītu saskarnes materiāla īpašības atomu mērogā.

Papildus nSLS-II uzlaboto iespēju izmantošanai komandai ir jāizmanto arī staru līnija (eksperimentālā stacija), kas var noteikt visus interfeisa komponentus un izmantot augstas enerģijas (īsa viļņa garuma) rentgena starus, lai noteiktu kristāliskos. un amorfās fāzes.

“Ķīmijas komanda pieņēma XPD vairāku režīmu pieeju, izmantojot divas dažādas metodes, ko nodrošina staru līnijas, rentgenstaru difrakcijas (XRD) un sadales funkcijas (PDF) analīze,” sacīja pētnieki. “XRD var pētīt kristāliskās fāzes, un PDF var pētīt amorfās fāzes.”

XRD un PDF analīze atklāja aizraujošus rezultātus: interfeisā ir litija hidrīds (LiH). Gadu desmitiem zinātnieki ir strīdējušies par LiH esamību saskarnē, radot neskaidrību par pamata reakcijas mehānismu, kas veido saskarni.

“LiH un litija fluorīdam (LiF) ir ļoti līdzīgas kristālu struktūras. Mūsu apgalvojumu par LiH atklāšanu apšaubīja daži cilvēki, kuri uzskata, ka mēs sajaucam LiF ar LiH,” sacīja pētnieks.

Ņemot vērā pētījumā iesaistītās pretrunas un tehniskās problēmas, kas saistītas ar LiH nošķiršanu no LiF, pētnieku grupa nolēma sniegt vairākus pierādījumus par LiH esamību, tostarp veicot gaisa iedarbības eksperimentus.

“Pētnieki teica: “LiF ir stabils gaisā, bet LiH ir nestabils. Ja saskarni pakļaujam mitram gaisam un savienojuma daudzums laika gaitā samazinās, mēs varam apstiprināt, ka mēs patiešām redzam LiH, nevis LiF, un tas ir LiF. Tā kā LiH ir grūti atšķirt no LiF un gaisa iedarbības eksperiments nekad iepriekš nav veikts, daudzos literatūras ziņojumos LiH, visticamāk, tiek sajaukts ar LiF, vai arī tas netiek novērots LiH sadalīšanās dēļ mitrā vidē. ”

Pētnieks turpināja. “PNNL veiktais paraugu sagatavošanas darbs ir būtisks šim pētījumam. Mums ir aizdomas, ka daudzi cilvēki nespēj identificēt LiH, jo viņu paraugi pirms eksperimenta tika pakļauti mitrai videi. Ja neesat pareizi savācis paraugus, aizzīmogojiet paraugus un paraugu nosūtīšanu, varat palaist garām LiH. ”

Papildus LiH esamības apstiprināšanai komanda atrisināja vēl vienu ilgstošu noslēpumu, kas saistīts ar LiF. LiF jau sen tiek uzskatīts par izdevīgu saskarnes sastāvdaļu, taču neviens pilnībā nesaprot iemeslu. Komanda noteica LiF strukturālās atšķirības saskarnē un lielāko daļu paša LiF strukturālo atšķirību, un konstatēja, ka pirmais veicināja litija jonu transportēšanu starp anodu un katodu.

Akumulatoru zinātnieki no Brookhaven National Laboratory, citām nacionālajām laboratorijām un universitātēm turpina sadarboties. Pētnieki teica, ka šie rezultāti sniegs ļoti nepieciešamos praktiskos norādījumus litija metāla anodu izstrādei.