Menurut laporan media asing, sekumpulan penyelidik di Makmal Kebangsaan Brookhaven (Makmal Kebangsaan Brookhaven) Jabatan Tenaga AS (JAS) telah menentukan butiran baharu mengenai mekanisme tindak balas dalaman bateri anod logam litium. , Langkah penting untuk bateri kenderaan elektrik yang lebih murah.

Penyelidik bateri di Brookhaven National Laboratory (Sumber imej: Brookhaven National Laboratory)

Pembuatan Semula Anod Litium

Daripada telefon pintar hinggalah kepada kenderaan elektrik, kita boleh lihat tradisinya. Walaupun bateri litium telah membolehkan banyak teknologi digunakan secara meluas, ia masih menghadapi cabaran dalam menyediakan kuasa jarak jauh untuk kenderaan elektrik.

Battery500, sebuah pakatan yang diketuai oleh penyelidik universiti yang dibiayai oleh Makmal Kebangsaan Barat Laut Pasifik (PNNL) Jabatan Tenaga AS dan Jabatan Tenaga AS, bertujuan untuk mencipta sel bateri dengan ketumpatan tenaga 500Wj/kg. Dalam erti kata lain, ia adalah dua kali ganda ketumpatan tenaga daripada bateri tercanggih masa kini. Untuk tujuan ini, pakatan memberi tumpuan kepada bateri yang diperbuat daripada anod logam litium.

Bateri logam litium menggunakan logam litium sebagai anod. Sebaliknya, kebanyakan bateri litium menggunakan grafit sebagai anod. “Anod litium adalah salah satu faktor utama dalam mencapai matlamat ketumpatan tenaga Battery500,” kata para penyelidik. “Kelebihannya ialah ketumpatan tenaga adalah dua kali ganda berbanding bateri sedia ada. Pertama, kapasiti khusus anod adalah sangat tinggi; kedua, anda boleh mempunyai bateri voltan yang lebih tinggi, dan gabungan kedua-duanya boleh mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi.”

Para saintis telah lama mengiktiraf kelebihan anod litium; sebenarnya, anod logam litium adalah anod pertama yang digabungkan dengan katod bateri. Walau bagaimanapun, disebabkan kekurangan “kebolehbalikan” anod, iaitu, keupayaan untuk mengecas melalui tindak balas elektrokimia boleh balik, penyelidik bateri akhirnya menggunakan anod grafit dan bukannya anod logam litium untuk membuat bateri litium.

Kini, selepas beberapa dekad kemajuan, penyelidik yakin untuk merealisasikan anod logam litium boleh balik untuk menolak had bateri litium. Kuncinya ialah antara muka, lapisan bahan pepejal yang terbentuk pada elektrod bateri semasa tindak balas elektrokimia.

“Jika kita dapat memahami sepenuhnya antara muka ini, ia boleh memberikan panduan penting untuk reka bentuk bahan dan pembuatan anod litium boleh balik,” kata para penyelidik. “Tetapi memahami antara muka ini agak mencabar kerana ia adalah lapisan bahan yang sangat nipis, hanya beberapa nanometer tebal, dan ia sensitif kepada udara dan kelembapan, jadi pengendalian sampel adalah rumit.”

Antara muka ini digambarkan dalam NSLS-II

Untuk menyelesaikan cabaran-cabaran ini dan “melihat” komposisi kimia dan struktur antara muka, para penyelidik menggunakan Sumber Cahaya Sinaran Synchrotron Nasional II (NSLS-II), kemudahan pengguna Pejabat Sains DOE Makmal Kebangsaan Brookhaven, yang menghasilkan sinar-X super terang untuk mengkaji sifat bahan antara muka pada skala atom.

Selain menggunakan keupayaan lanjutan nSLS-II, pasukan itu juga perlu menggunakan garis pancaran (stesen eksperimen) yang boleh mengesan semua komponen antara muka, dan menggunakan sinar-X bertenaga tinggi (panjang gelombang pendek) untuk mengesan kristal. dan fasa amorfus.

“Pasukan kimia menggunakan pendekatan berbilang mod XPD, menggunakan dua teknik berbeza yang disediakan oleh beamline, analisis pembelauan sinar-X (XRD) dan fungsi pengedaran (PDF), ” kata penyelidik. “XRD boleh mengkaji fasa kristal, dan PDF boleh mengkaji fasa amorfus.”

Analisis XRD dan PDF mendedahkan hasil yang menarik: Litium hidrida (LiH) wujud dalam antara muka. Selama beberapa dekad, saintis telah berhujah tentang kewujudan LiH dalam antara muka, mewujudkan ketidakpastian tentang mekanisme tindak balas asas yang membentuk antara muka.

“LiH dan litium fluorida (LiF) mempunyai struktur kristal yang hampir sama. Dakwaan kami mengenai penemuan LiH telah dipersoalkan oleh sesetengah orang yang percaya bahawa kami menyalahkan LiF untuk LiH, “kata penyelidik itu.

Memandangkan kontroversi yang terlibat dalam kajian dan cabaran teknikal untuk membezakan LiH daripada LiF, pasukan penyelidik memutuskan untuk menyediakan beberapa bukti untuk kewujudan LiH, termasuk menjalankan eksperimen pendedahan udara.

“Penyelidik berkata: “LiF stabil di udara, tetapi LiH tidak stabil. Jika kami mendedahkan antara muka kepada udara lembap, dan jika jumlah kompaun berkurangan dari semasa ke semasa, kami boleh mengesahkan bahawa kami sememangnya melihat LiH, bukan LiF, dan ia adalah LiF. Disebabkan oleh kesukaran membezakan LiH daripada LiF dan eksperimen pendedahan udara tidak pernah dilakukan sebelum ini, LiH berkemungkinan besar disalah anggap sebagai LiF dalam banyak laporan literatur, atau ia tidak diperhatikan kerana penguraian LiH dalam persekitaran lembap. ”

Pengkaji menyambung. “Kerja penyediaan sampel yang dilakukan oleh PNNL adalah penting untuk penyelidikan ini. Kami mengesyaki bahawa ramai orang gagal mengenal pasti LiH kerana sampel mereka terdedah kepada persekitaran yang lembap sebelum eksperimen.” Jika anda tidak mengumpul sampel dengan betul, mengelak sampel dan sampel Penghantaran, anda mungkin terlepas LiH. ”

Selain mengesahkan kewujudan LiH, pasukan itu juga menyelesaikan satu lagi misteri lama yang menyelubungi LiF. LiF telah lama dianggap sebagai komponen antara muka yang bermanfaat, tetapi tiada siapa yang memahami sepenuhnya sebabnya. Pasukan itu menentukan perbezaan struktur LiF dalam antara muka dan kebanyakan perbezaan struktur LiF itu sendiri, dan mendapati bahawa bekas itu mempromosikan pengangkutan ion litium antara anod dan katod.

Para saintis bateri dari Makmal Kebangsaan Brookhaven, makmal kebangsaan lain dan universiti terus bekerjasama. Para penyelidik berkata bahawa keputusan ini akan memberikan panduan praktikal yang sangat diperlukan untuk pembangunan anod logam litium.