АНУ-ын Эрчим хүчний яамны (DOE) Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory)-ийн хэсэг судлаачид лити металлын анодын батерейны дотоод урвалын механизмын талаар шинэ нарийн ширийн зүйлийг тодорхойлсон тухай гадаадын хэвлэл мэдээллийн хэрэгслүүд мэдээлэв. , Хямд үнэтэй цахилгаан машины батерейны чухал алхам.

Brookhaven National Laboratory-ийн батерей судлаачид (Зургийн эх сурвалж: Brookhaven National Laboratory)

Литиум анодыг дахин үйлдвэрлэх

Ухаалаг утаснаас эхлээд цахилгаан машин хүртэл уламжлалыг харж болно. Хэдийгээр лити батерей нь олон технологийг өргөнөөр ашиглах боломжийг олгосон ч цахилгаан тээврийн хэрэгслийг холын зайн эрчим хүчээр хангахад бэрхшээлтэй тулгарсаар байна.

АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Номхон далайн баруун хойд үндэсний лаборатори (PNNL) болон АНУ-ын Эрчим хүчний яамнаас санхүүжүүлдэг их сургуулийн судлаачдын тэргүүлдэг Battery500 холбоо нь 500 Вт/кг эрчим хүчний нягттай батерей бүтээх зорилготой юм. Өөрөөр хэлбэл, энэ нь өнөөгийн хамгийн дэвшилтэт батерейны эрчим хүчний нягтралаас хоёр дахин их юм. Үүний тулд холбоо нь лити металлын анодоор хийсэн батерейнд анхаарлаа хандуулдаг.

Лити металлын батерей нь лити металлыг анод болгон ашигладаг. Үүний эсрэгээр ихэнх лити батерейнууд графитыг анод болгон ашигладаг. “Литийн анод нь Battery500 эрчим хүчний нягтралын зорилгод хүрэх гол хүчин зүйлүүдийн нэг юм” гэж судлаачид хэлэв. “Давуу тал нь эрчим хүчний нягтрал нь одоо байгаа батерейгаас хоёр дахин их юм. Нэгдүгээрт, анодын тусгай хүчин чадал маш өндөр; Хоёрдугаарт, та илүү өндөр хүчдэлийн батерейтай байж болно, мөн энэ хоёрыг хослуулсан нь илүү өндөр эрчим хүчний нягтралтай байж болно.”

Эрдэмтэд литийн анодын давуу талыг удаан хугацаанд хүлээн зөвшөөрсөн; Үнэндээ лити металлын анод нь зайны катодтой холбогдсон анхны анод юм. Гэсэн хэдий ч анодын “буцах чадвар”, өөрөөр хэлбэл урвуу цахилгаан химийн урвалаар цэнэглэх чадваргүйн улмаас батерей судлаачид литийн батерей хийхдээ литийн металлын анодын оронд графит анод ашиглажээ.

Одоо олон арван жилийн ахиц дэвшлийн дараа судлаачид лити батерейны хязгаарыг даван туулахын тулд буцах боломжтой литийн металл анод бүтээнэ гэдэгт итгэлтэй байна. Гол нь электрохимийн урвалын үед батерейны электродууд дээр үүсдэг хатуу материалын давхарга болох интерфейс юм.

“Хэрэв бид энэ интерфэйсийг бүрэн ойлгож чадвал энэ нь урвуу литийн анодын материалын дизайн, үйлдвэрлэхэд чухал удирдамж болж чадна” гэж судлаачид хэлэв. “Гэхдээ энэ интерфэйсийг ойлгох нь маш хэцүү, учир нь энэ нь хэдхэн нанометр зузаантай, маш нимгэн материал давхарга бөгөөд агаар, чийгшилд мэдрэмтгий байдаг тул дээжтэй ажиллахад төвөгтэй байдаг.”

Энэ интерфэйсийг NSLS-II дээр дүрсэлсэн

Эдгээр сорилтуудыг шийдвэрлэх, интерфэйсийн химийн найрлага, бүтцийг “харах” зорилгоор судлаачид Брукхавен үндэсний лабораторийн ТМБ-ын шинжлэх ухааны албаны хэрэглэгчийн байгууламж болох Үндэсний синхротрон цацрагийн гэрлийн эх үүсвэр II (NSLS-II) -ийг ашигласан. Интерфэйсийн материаллаг шинж чанарыг атомын масштабаар судлах супер тод рентген туяа.

nSLS-II-ийн дэвшилтэт чадавхийг ашиглахын зэрэгцээ энэ баг интерфейсийн бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг илрүүлэх цацрагийн шугам (туршилтын станц) ашиглах, талстыг илрүүлэхийн тулд өндөр энерги (богино долгионы) рентген туяаг ашиглах шаардлагатай. ба аморф фазууд.

“Химийн баг нь цацрагийн шугам, рентген туяаны дифракц (XRD) болон түгээлтийн функц (PDF) шинжилгээгээр хангасан хоёр өөр аргыг ашиглан XPD олон горимын аргыг ашигласан” гэж судлаачид хэлэв. “XRD талст фазыг, PDF нь аморф фазыг судлах боломжтой.”

XRD болон PDF шинжилгээ нь сэтгэл хөдөлгөм үр дүнг харуулсан: Литиум гидрид (LiH) интерфейс дээр байдаг. Хэдэн арван жилийн турш эрдэмтэд интерфэйс дэх LiH байгаа эсэх талаар маргаж, интерфейсийг бүрдүүлдэг үндсэн урвалын механизмын талаар тодорхойгүй байдлыг бий болгож байна.

“LiH ба литийн фторид (LiF) нь маш төстэй талст бүтэцтэй. LiH-ийн нээлтийн талаарх бидний нэхэмжлэлийг LiF-ийг LiH гэж андуурдаг гэж зарим хүмүүс эргэлзэж байна” гэж судлаач хэлэв.

Судалгааны явцад гарсан маргаан, LiH-ийг LiF-ээс ялгах техникийн сорилтуудыг харгалзан судалгааны баг агаарт өртөх туршилт хийх зэрэг LiH-ийн оршин тогтнох олон нотолгоог гаргаж өгөхөөр шийджээ.

“Судлаачид: “LiF нь агаарт тогтвортой, харин LiH тогтворгүй байдаг. Хэрэв бид интерфэйсийг чийгтэй агаарт нэвтрүүлж, нэгдлийн хэмжээ цаг хугацааны явцад багасвал бид LiF биш харин LiH-г харж байгаа бөгөөд энэ нь LiF гэдгийг баталж чадна. LiH-ийг LiF-ээс ялгахад хүндрэлтэй, агаарт өртөх туршилт урьд өмнө нь хийгдэж байгаагүй тул LiH-ийг олон уран зохиолын тайланд LiF-тэй андуурсан байх магадлалтай, эсвэл чийглэг орчинд LiH задралын улмаас ажиглагддаггүй. ”

Судлаач үргэлжлүүлэв. “PNNL-ийн хийсэн дээж бэлтгэх ажил нь энэ судалгаанд чухал ач холбогдолтой юм. Туршилт хийхээс өмнө дээжүүд нь чийглэг орчинд байсан тул олон хүмүүс LiH-ийг тодорхойлж чадаагүй гэж бид сэжиглэж байна.” Хэрэв та дээжийг зөв цуглуулаагүй, дээж, тээвэрлэлтийн дээжийг битүүмжлээгүй бол LiH-г алдаж магадгүй юм. ”

Баг нь LiH-ийн оршин тогтнохыг батлахаас гадна LiF-ийн эргэн тойронд байсан өөр нэг нууцыг тайлсан. LiF нь интерфэйсийн ашигтай бүрэлдэхүүн хэсэг гэж удаан хугацаанд тооцогддог байсан ч шалтгааныг нь хэн ч бүрэн ойлгодоггүй. Баг нь интерфейс доторх LiF-ийн бүтцийн ялгаа болон LiF-ийн бүтцийн ихэнх ялгааг тодорхойлсон бөгөөд эхнийх нь анод ба катодын хооронд литийн ионуудын тээвэрлэлтийг дэмжсэн болохыг олж мэдэв.

Brookhaven National Laboratory, бусад үндэсний лаборатори, их дээд сургуулиудын батерейны эрдэмтэд хамтран ажилласаар байна. Эдгээр үр дүн нь литийн металлын анодыг хөгжүүлэхэд нэн шаардлагатай практик удирдамжийг өгөх болно гэж судлаачид хэлэв.