Po poročanju tujih medijev je skupina raziskovalcev v Brookhavenskem nacionalnem laboratoriju (Brookhaven National Laboratory) ameriškega ministrstva za energijo (DOE) določila nove podrobnosti o notranjem reakcijskem mehanizmu litij kovinskih anodnih baterij. , Pomemben korak za cenejše baterije za električna vozila.

Raziskovalci baterij v Brookhaven National Laboratory (Vir slike: Brookhaven National Laboratory)

Obnova litijeve anode

Od pametnih telefonov do električnih vozil lahko vidimo tradicijo. Čeprav so litijeve baterije omogočile široko uporabo številnih tehnologij, se še vedno soočajo z izzivi pri zagotavljanju električne energije na dolge razdalje za električna vozila.

Battery500, zavezništvo, ki ga vodijo univerzitetni raziskovalci, ki ga financirata Pacifiški severozahodni nacionalni laboratorij ameriškega ministrstva za energijo (PNNL) in ameriško ministrstvo za energijo, želi ustvariti baterijsko celico z energijsko gostoto 500 Wh/kg. Z drugimi besedami, to je dvakrat večja energijska gostota od današnjih najnaprednejših baterij. V ta namen se zavezništvo osredotoča na baterije iz litijevih kovinskih anod.

Litijeve kovinske baterije uporabljajo litij kot anodo. Nasprotno pa večina litijevih baterij uporablja grafit kot anodo. “Litijeva anoda je eden ključnih dejavnikov pri doseganju cilja energetske gostote Battery500,” so povedali raziskovalci. »Prednost je v tem, da je energijska gostota dvakrat večja kot pri obstoječih baterijah. Prvič, specifična zmogljivost anode je zelo visoka; drugič, lahko imate baterijo z višjo napetostjo, kombinacija obeh pa ima lahko višjo gostoto energije.”

Znanstveniki že dolgo prepoznajo prednosti litijevih anod; pravzaprav je litijeva kovinska anoda prva anoda, povezana s katodo baterije. Vendar pa zaradi pomanjkanja “reverzibilnosti” anode, to je zmožnosti polnjenja z reverzibilno elektrokemično reakcijo, so raziskovalci baterij na koncu uporabili grafitne anode namesto litijevih kovinskih anod za izdelavo litijevih baterij.

Zdaj, po desetletjih napredka, so raziskovalci prepričani, da bodo realizirali reverzibilno litijevo kovinsko anodo, da bi premaknili meje litijevih baterij. Ključ je vmesnik, plast trdnega materiala, ki se med elektrokemično reakcijo oblikuje na elektrodah baterije.

“Če lahko v celoti razumemo ta vmesnik, lahko zagotovi pomembne smernice za načrtovanje materiala in izdelavo reverzibilnih litijevih anod,” so povedali raziskovalci. “Toda razumevanje tega vmesnika je precejšen izziv, ker je zelo tanek sloj materiala, debel le nekaj nanometrov, in je občutljiv na zrak in vlago, zato je ravnanje z vzorci težavno.”

Ta vmesnik je vizualiziran v NSLS-II

Da bi rešili te izzive in »videli« kemično sestavo in strukturo vmesnika, so raziskovalci uporabili nacionalni vir svetlobe sinhrotronskega sevanja II (NSLS-II), uporabniški objekt znanstvenega urada DOE nacionalnega laboratorija Brookhaven, ki proizvaja super svetli rentgenski žarki za preučevanje lastnosti materiala vmesnika na atomski lestvici.

Poleg uporabe naprednih zmogljivosti nSLS-II mora ekipa uporabiti tudi snop (eksperimentalno postajo), ki lahko zazna vse komponente vmesnika, in uporabiti visokoenergijske (kratkovalovne) rentgenske žarke za odkrivanje kristalnih in amorfne faze.

“Kemijska ekipa je sprejela pristop z več načini XPD, pri čemer je uporabila dve različni tehniki, ki ju zagotavljata analiza žarkov, rentgenska difrakcija (XRD) in porazdelitvena funkcija (PDF),” so povedali raziskovalci. “XRD lahko preučuje kristalne faze, PDF pa lahko preučuje amorfne faze.”

Analiza XRD in PDF je pokazala razburljive rezultate: litijev hidrid (LiH) obstaja v vmesniku. Že desetletja se znanstveniki prepirajo o obstoju LiH v vmesniku, kar ustvarja negotovost glede osnovnega reakcijskega mehanizma, ki tvori vmesnik.

“LiH in litijev fluorid (LiF) imata zelo podobne kristalne strukture. Nekateri ljudje, ki verjamejo, da zamenjamo LiF z LiH, so podvomili v našo trditev o odkritju LiH,« je dejal raziskovalec.

Glede na polemiko, vključeno v študijo, in tehnične izzive razlikovanja LiH od LiF, se je raziskovalna skupina odločila zagotoviti več dokazov za obstoj LiH, vključno z izvajanjem poskusov izpostavljenosti zraku.

“Raziskovalci so rekli: “LiF je stabilen v zraku, LiH pa je nestabilen. Če izpostavimo vmesnik vlažnemu zraku in če se količina spojine sčasoma zmanjša, lahko potrdimo, da res vidimo LiH, ne LiF in je LiF. Zaradi težav pri ločevanju LiH od LiF in poskusa izpostavljenosti zraku še nikoli ni bilo izvedeno, je LiH najverjetneje v številnih literaturnih poročilih zamenjan za LiF ali pa ga ne opazimo zaradi razpada LiH v vlažnem okolju. ”

Raziskovalec je nadaljeval. »Delo priprave vzorcev, ki ga opravi PNNL, je ključnega pomena za to raziskavo. Sumimo, da veliko ljudi ne uspe identificirati LiH, ker so bili njihovi vzorci pred poskusom izpostavljeni vlažnemu okolju.” Če vzorcev niste pravilno zbrali, zapečatili vzorce in vzorce za pošiljanje, boste morda zamudili LiH. ”

Poleg potrditve obstoja LiH je ekipa rešila še eno dolgoletno skrivnost okoli LiF. LiF že dolgo velja za koristno komponento vmesnika, vendar nihče ne razume v celoti razloga. Ekipa je določila strukturne razlike LiF znotraj vmesnika in večino strukturnih razlik samega LiF in ugotovila, da je prvi spodbujal transport litijevih ionov med anodo in katodo.

Znanstveniki za baterije iz Brookhaven National Laboratory, drugih nacionalnih laboratorijev in univerz še naprej sodelujejo. Raziskovalci so povedali, da bodo ti rezultati zagotovili prepotrebne praktične smernice za razvoj litijevih kovinskih anod.