Podľa správ zahraničných médií skupina výskumníkov z Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) Ministerstva energetiky USA (DOE) zistila nové podrobnosti o vnútornom reakčnom mechanizme lítiových kovových anódových batérií. , Dôležitý krok pre lacnejšie batérie elektromobilov.

Výskumníci batérií v Brookhaven National Laboratory (zdroj obrázka: Brookhaven National Laboratory)

Renovácia lítiovej anódy

Od inteligentných telefónov po elektrické vozidlá, môžeme vidieť tradíciu. Hoci lítiové batérie umožnili široké využitie mnohých technológií, stále čelia výzvam pri poskytovaní energie na dlhé vzdialenosti pre elektrické vozidlá.

Battery500, aliancia vedená univerzitnými výskumníkmi financovaná tichomorským severozápadným národným laboratóriom (PNNL) amerického ministerstva energetiky a ministerstvom energetiky USA, má za cieľ vytvoriť batériový článok s hustotou energie 500 Wh/kg. Inými slovami, je to dvojnásobná energetická hustota dnešných najvyspelejších batérií. Za týmto účelom sa aliancia zameriava na batérie vyrobené z lítiových kovových anód.

Lítiové kovové batérie používajú ako anódu lítium. Naproti tomu väčšina lítiových batérií používa ako anódu grafit. „Lítiová anóda je jedným z kľúčových faktorov pri dosahovaní cieľa energetickej hustoty Battery500,“ uviedli vedci. „Výhodou je, že hustota energie je dvojnásobná oproti existujúcim batériám. Po prvé, špecifická kapacita anódy je veľmi vysoká; po druhé, môžete mať batériu s vyšším napätím a kombinácia týchto dvoch môže mať vyššiu hustotu energie.“

Vedci už dlho uznávajú výhody lítiových anód; v skutočnosti je lítiová kovová anóda prvou anódou pripojenou ku katóde batérie. Avšak kvôli nedostatočnej „reverzibilite“ anódy, teda schopnosti nabíjania prostredníctvom reverzibilnej elektrochemickej reakcie, výskumníci batérií nakoniec pri výrobe lítiových batérií použili grafitové anódy namiesto lítiových kovových anód.

Teraz, po desaťročiach pokroku, sú výskumníci presvedčení, že zrealizujú reverzibilnú lítiovú kovovú anódu, ktorá posunie limity lítiových batérií. Kľúčové je rozhranie, vrstva pevného materiálu, ktorá sa tvorí na elektródach batérie počas elektrochemickej reakcie.

“Ak dokážeme plne porozumieť tomuto rozhraniu, môže poskytnúť dôležité usmernenia pre návrh materiálu a výrobu reverzibilných lítiových anód,” uviedli vedci. “Pochopiť toto rozhranie je však dosť náročné, pretože ide o veľmi tenkú vrstvu materiálu s hrúbkou len niekoľkých nanometrov, ktorá je citlivá na vzduch a vlhkosť, takže manipulácia so vzorkami je zložitá.”

Toto rozhranie je vizualizované v NSLS-II

Na vyriešenie týchto problémov a „videnie“ chemického zloženia a štruktúry rozhrania výskumníci použili National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), užívateľské zariadenie DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, ktoré vyrába super jasné röntgenové lúče na štúdium materiálových vlastností rozhrania v atómovom meradle.

Okrem využitia pokročilých schopností nSLS-II musí tím použiť aj lúčovú linku (experimentálna stanica), ktorá dokáže detekovať všetky komponenty rozhrania, a použiť vysokoenergetické (krátkovlnné) röntgenové lúče na detekciu kryštalických a amorfné fázy.

“Chemický tím prijal viacrežimový prístup XPD s použitím dvoch rôznych techník poskytovaných lúčovou líniou, analýzou röntgenovej difrakcie (XRD) a distribučnej funkcie (PDF), “uviedli vedci. “XRD môže študovať kryštalické fázy a PDF môže študovať amorfné fázy.”

XRD a PDF analýza odhalili vzrušujúce výsledky: Lítium hydrid (LiH) existuje v rozhraní. Vedci sa už desaťročia dohadujú o existencii LiH v rozhraní, čím vzniká neistota ohľadom základného reakčného mechanizmu, ktorý tvorí rozhranie.

„LiH a fluorid lítny (LiF) majú veľmi podobné kryštálové štruktúry. Naše tvrdenie o objave LiH bolo spochybnené niektorými ľuďmi, ktorí veria, že si mýlime LiF s LiH,“ povedal výskumník.

Vzhľadom na kontroverziu spojenú so štúdiou a technické problémy spojené s rozlíšením LiH od LiF sa výskumný tím rozhodol poskytnúť viacero dôkazov o existencii LiH vrátane vykonania experimentov s vystavením vzduchu.

“Výskumníci povedali: “LiF je stabilný vo vzduchu, ale LiH je nestabilný. Ak vystavíme rozhranie vlhkému vzduchu a ak sa množstvo zlúčeniny v priebehu času zníži, môžeme potvrdiť, že skutočne vidíme LiH, nie LiF, a je to LiF. Kvôli obtiažnosti odlíšenia LiH od LiF a experiment s vystavením vzduchu sa nikdy predtým neuskutočnil, je LiH s najväčšou pravdepodobnosťou v mnohých správach v literatúre zamieňaný za LiF alebo nie je pozorovaný kvôli rozkladu LiH vo vlhkom prostredí. “

Výskumník pokračoval. “Práca na príprave vzorky vykonaná PNNL je pre tento výskum rozhodujúca. Máme podozrenie, že veľa ľudí nedokáže identifikovať LiH, pretože ich vzorky boli pred experimentom vystavené vlhkému prostrediu. Ak ste vzorky neodobrali správne, zapečatili vzorky a odoslali vzorky, môže vám chýbať LiH. “

Okrem potvrdenia existencie LiH tím vyriešil aj ďalšiu dlhotrvajúcu záhadu okolo LiF. LiF sa už dlho považuje za prospešnú súčasť rozhrania, ale nikto úplne nechápe dôvod. Tím určil štrukturálne rozdiely LiF v rámci rozhrania a väčšinu štrukturálnych rozdielov samotného LiF a zistil, že prvý podporoval transport lítiových iónov medzi anódou a katódou.

Vedci pre batérie z Brookhaven National Laboratory, ďalšie národné laboratóriá a univerzity naďalej spolupracujú. Výskumníci uviedli, že tieto výsledky poskytnú veľmi potrebný praktický návod na vývoj lítiových kovových anód.