Potrivit rapoartelor presei străine, un grup de cercetători de la Laboratorul Național Brookhaven (Laboratorul Național Brookhaven) al Departamentului de Energie al SUA (DOE) a determinat noi detalii despre mecanismul de reacție intern al bateriilor cu anod metalic litiu. , Un pas important pentru bateriile de vehicule electrice mai ieftine.

Cercetători de baterii de la Brookhaven National Laboratory (Sursa imagine: Brookhaven National Laboratory)

Remanufacturarea anodului de litiu

De la telefoane inteligente la vehicule electrice, putem vedea tradiția. Deși bateriile cu litiu au permis ca multe tehnologii să fie utilizate pe scară largă, ele se confruntă în continuare cu provocări în furnizarea de energie pe distanțe lungi pentru vehiculele electrice.

Battery500, o alianță condusă de cercetători universitari, finanțată de Laboratorul Național Pacific Northwest (PNNL) al Departamentului de Energie al SUA și Departamentul de Energie al SUA, își propune să creeze o celulă de baterie cu o densitate de energie de 500Wh/kg. Cu alte cuvinte, este de două ori densitatea energetică a celor mai avansate baterii de astăzi. În acest scop, alianța se concentrează pe bateriile realizate din anozi metalici de litiu.

Bateriile cu litiu metalic folosesc litiu metal ca anod. În schimb, majoritatea bateriilor cu litiu folosesc grafit ca anod. „Anodul de litiu este unul dintre factorii cheie în atingerea obiectivului de densitate energetică Battery500”, au spus cercetătorii. „Avantajul este că densitatea energiei este de două ori mai mare decât a bateriilor existente. În primul rând, capacitatea specifică a anodului este foarte mare; în al doilea rând, puteți avea o baterie cu tensiune mai mare, iar combinația celor două poate avea o densitate de energie mai mare.”

Oamenii de știință au recunoscut de mult avantajele anozilor de litiu; de fapt, anodul cu litiu metalic este primul anod cuplat la catodul bateriei. Cu toate acestea, din cauza lipsei de „reversibilitate” anodului, adică a capacității de a se încărca printr-o reacție electrochimică reversibilă, cercetătorii în baterii au ajuns să folosească anozi de grafit în loc de anozi de litiu metalic pentru a face baterii cu litiu.

Acum, după decenii de progres, cercetătorii sunt încrezători că vor realiza un anod metalic cu litiu reversibil pentru a depăși limitele bateriilor cu litiu. Cheia este interfața, stratul de material solid care se formează pe electrozii bateriei în timpul reacției electrochimice.

„Dacă putem înțelege pe deplin această interfață, ea poate oferi îndrumări importante pentru proiectarea materialului și fabricarea anozilor de litiu reversibile”, au spus cercetătorii. „Dar înțelegerea acestei interfețe este o provocare, deoarece este un strat foarte subțire de material, gros de doar câțiva nanometri și este sensibil la aer și umiditate, așa că manipularea probelor este dificilă.”

Această interfață este vizualizată în NSLS-II

Pentru a rezolva aceste provocări și pentru a „vedea” compoziția chimică și structura interfeței, cercetătorii au folosit Sursa Națională de Lumină a Radiației Sincrotronului II (NSLS-II), o facilitate pentru utilizatori a Oficiului de Știință al DOE al Laboratorului Național Brookhaven, care produce raze X super strălucitoare pentru a studia proprietățile materialelor interfeței la scară atomică.

Pe lângă utilizarea capabilităților avansate ale nSLS-II, echipa trebuie să folosească și o linie de fascicul (stație experimentală) care poate detecta toate componentele interfeței și să folosească raze X de înaltă energie (lungime de undă scurtă) pentru a detecta cristaline. și faze amorfe.

„Echipa de chimie a adoptat abordarea multimodală XPD, folosind două tehnici diferite oferite de analiza liniei de fascicul, difracția cu raze X (XRD) și funcția de distribuție (PDF),” au spus cercetătorii. „XRD poate studia fazele cristaline, iar PDF poate studia fazele amorfe.”

Analiza XRD și PDF a dezvăluit rezultate interesante: hidrura de litiu (LiH) există în interfață. De zeci de ani, oamenii de știință au discutat despre existența LiH în interfață, creând incertitudine cu privire la mecanismul de reacție de bază care formează interfața.

„LiH și fluorura de litiu (LiF) au structuri cristaline foarte asemănătoare. Afirmația noastră despre descoperirea LiH a fost pusă sub semnul întrebării de unii oameni care cred că confundăm LiF cu LiH”, a spus cercetătorul.

Având în vedere controversele implicate în studiu și provocările tehnice ale distingerii LiH de LiF, echipa de cercetare a decis să furnizeze mai multe dovezi pentru existența LiH, inclusiv efectuarea de experimente de expunere la aer.

„Cercetătorii au spus: „LiF este stabil în aer, dar LiH este instabil. Dacă expunem interfața la aer umed și dacă cantitatea de compus scade în timp, putem confirma că vedem într-adevăr LiH, nu LiF și este LiF. Datorită dificultății de a distinge LiH de LiF și experimentul de expunere la aer nu a mai fost niciodată efectuat înainte, LiH este cel mai probabil să fie confundat cu LiF în multe rapoarte din literatură sau nu este observat din cauza descompunerii LiH într-un mediu umed. ”

Cercetatorul a continuat. „Munca de pregătire a probei efectuată de PNNL este esențială pentru această cercetare. Bănuim că mulți oameni nu reușesc să identifice LiH, deoarece mostrele lor au fost expuse la un mediu umed înainte de experiment.” Dacă nu ați colectat probele corect, sigilați mostrele și mostrele de expediere, este posibil să pierdeți LiH. ”

Pe lângă confirmarea existenței LiH, echipa a rezolvat și un alt mister de lungă durată în jurul LiF. LiF a fost mult timp considerat o componentă benefică a interfeței, dar nimeni nu înțelege pe deplin motivul. Echipa a determinat diferențele structurale ale LiF în cadrul interfeței și majoritatea diferențelor structurale ale LiF în sine și a constatat că primul a promovat transportul ionilor de litiu între anod și catod.

Oamenii de știință de la Brookhaven National Laboratory, alte laboratoare naționale și universități continuă să coopereze. Cercetătorii au spus că aceste rezultate vor oferi îndrumări practice atât de necesare pentru dezvoltarea anozilor metalici de litiu.