Ifølge rapporter i utenlandske medier har en gruppe forskere ved Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) i US Department of Energy (DOE) bestemt nye detaljer om den interne reaksjonsmekanismen til litiummetallanodebatterier. , Et viktig skritt for billigere elbilbatterier.

Batteriforskere ved Brookhaven National Laboratory (Bildekilde: Brookhaven National Laboratory)

Reproduksjon av litiumanode

Fra smarttelefoner til elektriske kjøretøy kan vi se tradisjonen. Selv om litiumbatterier har gjort det mulig for mange teknologier å bli mye brukt, står de fortsatt overfor utfordringer med å levere langdistansestrøm til elektriske kjøretøy.

Battery500, en allianse ledet av universitetsforskere finansiert av US Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og US Department of Energy, har som mål å lage en battericelle med en energitetthet på 500Wh/kg. Det er med andre ord dobbelt så mye energitetthet som dagens mest avanserte batterier. For dette formål fokuserer alliansen på batterier laget av litiummetallanoder.

Litiummetallbatterier bruker litiummetall som anode. Derimot bruker de fleste litiumbatterier grafitt som anode. “Litiumanoden er en av nøkkelfaktorene for å nå Battery500 energitetthetsmålet,” sa forskerne. «Fordelen er at energitettheten er dobbelt så stor som eksisterende batterier. For det første er den spesifikke kapasiteten til anoden veldig høy; For det andre kan du ha et batteri med høyere spenning, og kombinasjonen av de to kan ha en høyere energitetthet.”

Forskere har lenge erkjent fordelene med litiumanoder; faktisk er litiummetallanoden den første anoden koblet til batterikatoden. Men på grunn av mangelen på “reversibilitet” av anoden, det vil si evnen til å lade gjennom en reversibel elektrokjemisk reaksjon, endte batteriforskere opp med å bruke grafittanoder i stedet for litiummetallanoder for å lage litiumbatterier.

Nå, etter flere tiår med fremgang, er forskere sikre på å realisere en reversibel litiummetallanode for å presse grensene for litiumbatterier. Nøkkelen er grensesnittet, det faste materialelaget som dannes på batteriets elektroder under den elektrokjemiske reaksjonen.

“Hvis vi kan forstå dette grensesnittet fullt ut, kan det gi viktig veiledning for materialdesign og produksjon av reversible litiumanoder,” sa forskerne. “Men å forstå dette grensesnittet er litt av en utfordring fordi det er et veldig tynt lag med materiale, bare noen få nanometer tykt, og det er følsomt for luft og fuktighet, så det er vanskelig å håndtere prøver.”

Dette grensesnittet er visualisert i NSLS-II

For å løse disse utfordringene og “se” den kjemiske sammensetningen og strukturen til grensesnittet, brukte forskerne National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), et brukeranlegg til DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, som produserer super lyse røntgenstråler for å studere materialegenskapene til grensesnittet på atomskala.

I tillegg til å bruke de avanserte egenskapene til nSLS-II, må teamet også bruke en strålelinje (eksperimentstasjon) som kan oppdage alle komponenter i grensesnittet, og bruke høyenergi (kortbølgelengde) røntgenstråler for å oppdage krystallinsk og amorfe faser.

“Kjemiteamet tok i bruk XPD multi-mode-tilnærmingen, ved å bruke to forskjellige teknikker levert av beamline, røntgendiffraksjon (XRD) og distribusjonsfunksjon (PDF) analyse,” sa forskerne. “XRD kan studere krystallinske faser, og PDF kan studere amorfe faser.”

XRD og PDF-analyse avslørte spennende resultater: Litiumhydrid (LiH) finnes i grensesnittet. I flere tiår har forskere kranglet om eksistensen av LiH i grensesnittet, og skapt usikkerhet om den grunnleggende reaksjonsmekanismen som danner grensesnittet.

“LiH og litiumfluorid (LiF) har svært like krystallstrukturer. Vår påstand om oppdagelsen av LiH har blitt stilt spørsmål ved av noen mennesker som tror at vi forveksler LiF med LiH, sa forskeren.

I lys av kontroversen involvert i studien og de tekniske utfordringene med å skille LiH fra LiF, bestemte forskerteamet seg for å gi flere bevis for eksistensen av LiH, inkludert å utføre lufteksponeringseksperimenter.

“Forskere sa: “LiF er stabil i luft, men LiH er ustabil. Hvis vi utsetter grensesnittet for fuktig luft, og hvis mengden av forbindelse avtar over tid, kan vi bekrefte at vi faktisk ser LiH, ikke LiF, og det er LiF. På grunn av vanskeligheten med å skille LiH fra LiF og lufteksponeringsforsøket aldri har blitt utført før, er det mest sannsynlig at LiH blir forvekslet med LiF i mange litteraturrapporter, eller det er ikke observert på grunn av LiH-nedbrytning i et fuktig miljø. ”

Forskeren fortsatte. “Prøveforberedelsesarbeidet utført av PNNL er avgjørende for denne forskningen. Vi mistenker at mange mennesker ikke klarer å identifisere LiH fordi prøvene deres ble utsatt for et fuktig miljø før eksperimentet.» Hvis du ikke har samlet inn prøvene riktig, forsegle prøvene og sende prøver, kan du gå glipp av LiH. ”

I tillegg til å bekrefte eksistensen av LiH, løste teamet også et annet langvarig mysterium rundt LiF. LiF har lenge vært ansett som en fordelaktig komponent i grensesnittet, men ingen forstår helt årsaken. Teamet bestemte de strukturelle forskjellene til LiF i grensesnittet og de fleste av de strukturelle forskjellene til LiF selv, og fant ut at førstnevnte fremmet transporten av litiumioner mellom anoden og katoden.

Batteriforskere fra Brookhaven National Laboratory, andre nasjonale laboratorier og universiteter fortsetter å samarbeide. Forskerne sa at disse resultatene vil gi sårt tiltrengt praktisk veiledning for utvikling av litiummetallanoder.