Volgens berichten in de buitenlandse media heeft een groep onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) nieuwe details vastgesteld over het interne reactiemechanisme van lithium-metaalanodebatterijen. , Een belangrijke stap voor goedkopere accu’s van elektrische voertuigen.

Batterijonderzoekers bij Brookhaven National Laboratory (Bron afbeelding: Brookhaven National Laboratory)

Herfabricage van lithiumanode

Van smartphones tot elektrische voertuigen, we kunnen de traditie zien. Hoewel lithiumbatterijen ervoor hebben gezorgd dat veel technologieën op grote schaal kunnen worden gebruikt, worden ze nog steeds geconfronteerd met uitdagingen bij het leveren van elektrische voertuigen over lange afstanden.

Battery500, een alliantie onder leiding van universitaire onderzoekers gefinancierd door het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse ministerie van Energie en het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft tot doel een batterijcel te creëren met een energiedichtheid van 500 Wh/kg. Met andere woorden, het is twee keer de energiedichtheid van de meest geavanceerde batterijen van vandaag. Daartoe richt de alliantie zich op batterijen gemaakt van lithium-metaalanoden.

Lithium-metaalbatterijen gebruiken lithiummetaal als anode. De meeste lithiumbatterijen gebruiken daarentegen grafiet als anode. “De lithiumanode is een van de belangrijkste factoren bij het bereiken van het doel van de Battery500-energiedichtheid”, aldus de onderzoekers. “Het voordeel is dat de energiedichtheid twee keer zo groot is als die van bestaande batterijen. Ten eerste is de specifieke capaciteit van de anode zeer hoog; ten tweede kun je een batterij met een hogere spanning hebben, en de combinatie van de twee kan een hogere energiedichtheid hebben.”

Wetenschappers hebben de voordelen van lithiumanoden al lang erkend; in feite is de lithiummetaalanode de eerste anode die is gekoppeld aan de batterijkathode. Vanwege het gebrek aan “omkeerbaarheid” van de anode, dat wil zeggen het vermogen om op te laden via een omkeerbare elektrochemische reactie, gebruikten batterijonderzoekers uiteindelijk grafietanodes in plaats van lithiummetaalanoden om lithiumbatterijen te maken.

Nu, na tientallen jaren van vooruitgang, hebben onderzoekers er vertrouwen in een omkeerbare lithiummetaalanode te realiseren om de grenzen van lithiumbatterijen te verleggen. De sleutel is de interface, de vaste materiaallaag die zich tijdens de elektrochemische reactie op de elektroden van de batterij vormt.

“Als we deze interface volledig kunnen begrijpen, kan het belangrijke richtlijnen bieden voor het materiaalontwerp en de fabricage van omkeerbare lithiumanoden”, aldus de onderzoekers. “Maar het is een hele uitdaging om deze interface te begrijpen, omdat het een zeer dunne laag materiaal is, slechts enkele nanometers dik, en gevoelig is voor lucht en vochtigheid, dus het hanteren van monsters is lastig.”

Deze interface wordt gevisualiseerd in NSLS-II

Om deze uitdagingen op te lossen en de chemische samenstelling en structuur van de interface te “zien”, gebruikten de onderzoekers de National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), een gebruikersfaciliteit van het DOE Science Office van Brookhaven National Laboratory, die produceert superheldere röntgenstralen om de materiaaleigenschappen van het grensvlak op atomaire schaal te bestuderen.

Naast het gebruik van de geavanceerde mogelijkheden van nSLS-II, moet het team ook een bundellijn (experimenteel station) gebruiken die alle componenten van de interface kan detecteren, en röntgenstralen met hoge energie (korte golflengte) gebruiken om kristallijne en amorfe fasen.

“Het chemieteam nam de XPD-multimode-aanpak over, met behulp van twee verschillende technieken die worden geboden door de bundellijn, röntgendiffractie (XRD) en distributiefunctie (PDF) -analyse”, aldus de onderzoekers. “XRD kan kristallijne fasen bestuderen en PDF kan amorfe fasen bestuderen.”

XRD- en PDF-analyse onthulden opwindende resultaten: lithiumhydride (LiH) bestaat in de interface. Al tientallen jaren maken wetenschappers ruzie over het bestaan ​​van LiH in de interface, waardoor onzekerheid ontstaat over het basisreactiemechanisme dat de interface vormt.

“LiH en lithiumfluoride (LiF) hebben zeer vergelijkbare kristalstructuren. Onze bewering over de ontdekking van LiH is in twijfel getrokken door sommige mensen die geloven dat we LiF verwarren met LiH”, aldus de onderzoeker.

Met het oog op de controverse die bij het onderzoek betrokken was en de technische uitdagingen om LiH van LiF te onderscheiden, besloot het onderzoeksteam meerdere bewijzen te leveren voor het bestaan ​​van LiH, waaronder het uitvoeren van experimenten met blootstelling aan lucht.

“Onderzoekers zeiden: “LiF is stabiel in de lucht, maar LiH is onstabiel. Als we het grensvlak blootstellen aan vochtige lucht, en als de hoeveelheid verbinding in de loop van de tijd afneemt, kunnen we bevestigen dat we inderdaad LiH zien, niet LiF, en dat het LiF is. Vanwege de moeilijkheid om LiH van LiF te onderscheiden en het luchtblootstellingsexperiment is nog nooit eerder uitgevoerd, wordt LiH in veel literatuurrapporten hoogstwaarschijnlijk aangezien voor LiF, of wordt het niet waargenomen vanwege de ontbinding van LiH in een vochtige omgeving. ”

De onderzoeker vervolgde. “Het monstervoorbereidingswerk van PNNL is van cruciaal belang voor dit onderzoek. We vermoeden dat veel mensen LiH niet kunnen identificeren omdat hun monsters vóór het experiment aan een vochtige omgeving werden blootgesteld.” Als u de monsters niet correct hebt verzameld, verzegel de monsters en verzendmonsters, dan kunt u LiH missen. ”

Naast het bevestigen van het bestaan ​​van LiH, loste het team ook een ander al lang bestaand mysterie rond LiF op. LiF wordt al lang beschouwd als een nuttig onderdeel van de interface, maar niemand begrijpt de reden volledig. Het team bepaalde de structurele verschillen van LiF binnen de interface en de meeste structurele verschillen van LiF zelf, en ontdekte dat de eerste het transport van lithiumionen tussen de anode en de kathode bevorderde.

Batterijwetenschappers van Brookhaven National Laboratory, andere nationale laboratoria en universiteiten blijven samenwerken. De onderzoekers zeiden dat deze resultaten de broodnodige praktische begeleiding zullen bieden voor de ontwikkeling van lithiummetaalanoden.