По сообщениям зарубежных СМИ, группа исследователей из Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory) Министерства энергетики США (DOE) определила новые подробности о механизме внутренней реакции литий-металлических анодных батарей. , Важный шаг для более дешевых аккумуляторов электромобилей.

Исследователи батарей в Брукхейвенской национальной лаборатории (Источник изображения: Брукхейвенская национальная лаборатория)

Восстановление литиевого анода

От смартфонов до электромобилей – мы видим традиции. Хотя литиевые батареи позволили широко использовать многие технологии, они по-прежнему сталкиваются с проблемами при обеспечении электроснабжения электромобилей на большие расстояния.

Battery500, альянс, возглавляемый университетскими исследователями, финансируемый Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) Министерства энергетики США и Министерством энергетики США, стремится создать аккумуляторную батарею с плотностью энергии 500 Вт · ч / кг. Другими словами, это вдвое больше плотности энергии, чем у самых современных батарей на сегодняшний день. С этой целью альянс делает акцент на батареях с металлическими литиевыми анодами.

В литий-металлических батареях в качестве анода используется металлический литий. Напротив, в большинстве литиевых батарей в качестве анода используется графит. «Литиевый анод – один из ключевых факторов в достижении цели по плотности энергии Battery500», – заявили исследователи. «Преимущество в том, что плотность энергии в два раза выше, чем у существующих батарей. Во-первых, очень высокая удельная емкость анода; во-вторых, у вас может быть батарея с более высоким напряжением, и их комбинация может иметь более высокую плотность энергии ».

Ученые давно признали преимущества литиевых анодов; Фактически, анод из металлического лития – это первый анод, соединенный с катодом батареи. Однако из-за отсутствия «обратимости» анода, то есть способности заряжаться посредством обратимой электрохимической реакции, исследователи аккумуляторов в конечном итоге использовали графитовые аноды вместо анодов из металлического лития для изготовления литиевых батарей.

Теперь, после десятилетий прогресса, исследователи уверены в создании обратимого металлического литиевого анода, который расширит возможности литиевых батарей. Ключевым моментом является интерфейс, слой твердого материала, который образуется на электродах батареи во время электрохимической реакции.

«Если мы сможем полностью понять этот интерфейс, он может предоставить важные рекомендации для проектирования материалов и производства обратимых литиевых анодов», – заявили исследователи. «Но понять этот интерфейс довольно сложно, потому что это очень тонкий слой материала, толщиной всего несколько нанометров, и он чувствителен к воздуху и влажности, поэтому работать с образцами сложно».

Этот интерфейс визуализирован в NSLS-II.

Чтобы решить эти проблемы и «увидеть» химический состав и структуру интерфейса, исследователи использовали Национальный источник света синхротронного излучения II (NSLS-II), пользовательский объект Научного офиса Министерства энергетики Брукхейвенской национальной лаборатории, который производит сверхяркие рентгеновские лучи для изучения свойств материала интерфейса в атомном масштабе.

Помимо использования расширенных возможностей nSLS-II, команде также необходимо использовать линию луча (экспериментальную станцию), которая может обнаруживать все компоненты интерфейса, и использовать высокоэнергетические (коротковолновые) рентгеновские лучи для обнаружения кристаллических и аморфные фазы.

«Команда химиков приняла многомодовый подход XPD, используя два разных метода, обеспечиваемых анализом пучка, рентгеновской дифракцией (XRD) и функцией распределения (PDF)», – заявили исследователи. «XRD может изучать кристаллические фазы, а PDF может изучать аморфные фазы».

Анализ XRD и PDF показал захватывающие результаты: гидрид лития (LiH) присутствует в интерфейсе. На протяжении десятилетий ученые спорят о существовании LiH в интерфейсе, создавая неопределенность в отношении основного механизма реакции, который формирует интерфейс.

«LiH и фторид лития (LiF) имеют очень похожие кристаллические структуры. Наше утверждение об открытии LiH было подвергнуто сомнению некоторыми людьми, которые считают, что мы ошибочно принимаем LiF за LiH », – сказал исследователь.

Ввиду разногласий, связанных с исследованием, и технических проблем, связанных с отличием LiH от LiF, исследовательская группа решила предоставить несколько доказательств существования LiH, включая проведение экспериментов с воздействием воздуха.

«Исследователи сказали:« LiF стабилен на воздухе, но LiH нестабилен. Если мы подвергаем границу раздела воздействию влажного воздуха и количество соединения со временем уменьшается, мы можем подтвердить, что действительно видим LiH, а не LiF, и это LiF. Из-за сложности отличить LiH от LiF, а эксперимент с воздействием воздуха никогда раньше не проводился, LiH, скорее всего, будет ошибочно принят за LiF во многих литературных отчетах, или это не наблюдается из-за разложения LiH во влажной среде. ”

Исследователь продолжил. «Работа по подготовке проб, выполняемая PNNL, имеет решающее значение для этого исследования. Мы подозреваем, что многие люди не могут идентифицировать LiH, потому что их образцы перед экспериментом подвергались воздействию влажной среды ». Если вы неправильно взяли образцы, запечатали образцы и отправили образцы, вы можете пропустить LiH. ”

Помимо подтверждения существования LiH, команда также раскрыла еще одну давнюю загадку, связанную с LiF. LiF уже давно считается полезным компонентом интерфейса, но до конца никто не понимает причины. Команда определила структурные различия LiF внутри интерфейса и большинство структурных различий самого LiF и обнаружила, что первый способствует переносу ионов лития между анодом и катодом.

Ученые-аккумуляторы из Брукхейвенской национальной лаборатории, других национальных лабораторий и университетов продолжают сотрудничать. Исследователи заявили, что эти результаты предоставят столь необходимое практическое руководство для разработки анодов из металлического лития.