Według doniesień zagranicznych mediów, grupa badaczy z Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) Departamentu Energii USA (DOE) ustaliła nowe szczegóły dotyczące wewnętrznego mechanizmu reakcji baterii z anodą litowo-metalową. , Ważny krok w kierunku tańszych akumulatorów do pojazdów elektrycznych.

Badacze baterii w Brookhaven National Laboratory (Źródło zdjęcia: Brookhaven National Laboratory)

Regeneracja anody litowej

Od smartfonów po pojazdy elektryczne, widzimy tradycję. Chociaż baterie litowe umożliwiły szerokie zastosowanie wielu technologii, nadal stoją przed wyzwaniami związanymi z dostarczaniem energii na duże odległości do pojazdów elektrycznych.

Battery500, sojusz prowadzony przez naukowców uniwersyteckich, finansowany przez Narodowe Laboratorium Pacyfiku Północno-Zachodniego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (PNNL) i Departament Energii Stanów Zjednoczonych, ma na celu stworzenie ogniwa baterii o gęstości energii 500 Wh/kg. Innymi słowy, jest to dwukrotnie większa gęstość energii niż dzisiejsze najbardziej zaawansowane baterie. W tym celu sojusz skupia się na bateriach wykonanych z anod litowo-metalowych.

Baterie litowo-metalowe wykorzystują jako anodę litowo-metalowy. Natomiast większość baterii litowych wykorzystuje grafit jako anodę. „Anoda litowa jest jednym z kluczowych czynników w osiągnięciu celu dotyczącego gęstości energii Battery500” – powiedzieli naukowcy. „Zaletą jest to, że gęstość energii jest dwukrotnie większa niż w przypadku istniejących akumulatorów. Po pierwsze, pojemność właściwa anody jest bardzo wysoka; po drugie, możesz mieć baterię o wyższym napięciu, a połączenie tych dwóch może mieć wyższą gęstość energii”.

Naukowcy od dawna dostrzegają zalety anod litowych; w rzeczywistości anoda litowo-metalowa jest pierwszą anodą połączoną z katodą akumulatora. Jednak ze względu na brak „odwracalności” anody, to znaczy zdolności do ładowania poprzez odwracalną reakcję elektrochemiczną, badacze baterii wykorzystali anody grafitowe zamiast anod litowo-metalowych do produkcji baterii litowych.

Teraz, po dziesięcioleciach postępu, naukowcy są pewni, że zrealizują odwracalną anodę litowo-metalową, aby przesunąć granice baterii litowych. Kluczem jest interfejs, warstwa materiału stałego, która tworzy się na elektrodach akumulatora podczas reakcji elektrochemicznej.

„Jeśli będziemy w stanie w pełni zrozumieć ten interfejs, może on dostarczyć ważnych wskazówek dotyczących projektowania materiałów i produkcji odwracalnych anod litowych” – powiedzieli naukowcy. „Ale zrozumienie tego interfejsu jest sporym wyzwaniem, ponieważ jest to bardzo cienka warstwa materiału o grubości zaledwie kilku nanometrów i jest wrażliwa na powietrze i wilgoć, więc obsługa próbek jest trudna”.

Ten interfejs jest wizualizowany w NSLS-II

Aby rozwiązać te wyzwania i „zobaczyć” skład chemiczny i strukturę interfejsu, naukowcy wykorzystali National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), obiekt użytkownika DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, który produkuje super jasne promienie rentgenowskie do badania właściwości materiału interfejsu w skali atomowej.

Oprócz korzystania z zaawansowanych możliwości nSLS-II, zespół musi również użyć linii wiązki (stacji eksperymentalnej), która może wykryć wszystkie komponenty interfejsu, oraz użyć wysokoenergetycznych (krótkich fal) promieni rentgenowskich do wykrywania i fazy amorficzne.

„Zespół chemiczny przyjął wielomodowe podejście XPD, wykorzystując dwie różne techniki zapewniane przez analizę linii wiązki, dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i funkcji dystrybucji (PDF)” – powiedzieli naukowcy. „XRD może badać fazy krystaliczne, a PDF może badać fazy amorficzne”.

Analiza XRD i PDF ujawniła ekscytujące wyniki: w interfejsie istnieje wodorek litu (LiH). Od dziesięcioleci naukowcy spierają się o istnienie LiH w interfejsie, tworząc niepewność co do podstawowego mechanizmu reakcji, który tworzy interfejs.

„LiH i fluorek litu (LiF) mają bardzo podobne struktury krystaliczne. Nasze twierdzenie o odkryciu LiH zostało zakwestionowane przez niektórych ludzi, którzy uważają, że mylimy LiF z LiH” – powiedział badacz.

Ze względu na kontrowersje związane z badaniem i wyzwania techniczne związane z rozróżnieniem LiH od LiF, zespół badawczy postanowił dostarczyć wiele dowodów na istnienie LiH, w tym przeprowadzić eksperymenty narażenia drogą powietrzną.

„Naukowcy powiedzieli: „LiF jest stabilny w powietrzu, ale LiH jest niestabilny. Jeśli wystawimy interfejs na działanie wilgotnego powietrza i ilość związku zmniejszy się z czasem, możemy potwierdzić, że rzeczywiście widzimy LiH, a nie LiF, i jest to LiF. Ze względu na trudność w odróżnieniu LiH od LiF, a eksperyment narażenia na działanie powietrza nigdy wcześniej nie był przeprowadzany, LiH jest najprawdopodobniej mylony z LiF w wielu doniesieniach literaturowych lub nie jest obserwowany z powodu rozkładu LiH w wilgotnym środowisku. ”

Badacz kontynuował. „Prace przygotowujące próbki wykonane przez PNNL mają kluczowe znaczenie dla tych badań. Podejrzewamy, że wiele osób nie identyfikuje LiH, ponieważ ich próbki były wystawione na działanie wilgotnego środowiska przed eksperymentem”. Jeśli nie pobrałeś prawidłowo próbek, zapieczętuj próbki i próbki wysyłkowe, możesz przegapić LiH. ”

Oprócz potwierdzenia istnienia LiH, zespół rozwiązał również inną od dawna zagadkę związaną z LiF. LiF od dawna uważany jest za korzystny element interfejsu, ale nikt w pełni nie rozumie powodu. Zespół określił różnice strukturalne LiF w obrębie granicy faz oraz większość różnic strukturalnych samego LiF i odkrył, że ta pierwsza promowała transport jonów litu między anodą a katodą.

Naukowcy zajmujący się bateriami z Brookhaven National Laboratory, innych krajowych laboratoriów i uniwersytetów nadal współpracują. Naukowcy powiedzieli, że wyniki te dostarczą bardzo potrzebnych praktycznych wskazówek dotyczących rozwoju anod litowo-metalowych.