Enligt rapporter i utländska medier har en grupp forskare vid Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) vid US Department of Energy (DOE) fastställt nya detaljer om den interna reaktionsmekanismen hos litiummetallanodbatterier. , Ett viktigt steg för billigare elfordonsbatterier.

Batteriforskare vid Brookhaven National Laboratory (Bildkälla: Brookhaven National Laboratory)

Återtillverkning av litiumanod

Från smarta telefoner till elfordon, vi kan se traditionen. Även om litiumbatterier har gjort det möjligt för många tekniker att användas i stor utsträckning, står de fortfarande inför utmaningar när det gäller att tillhandahålla långdistanskraft för elfordon.

Battery500, en allians ledd av universitetsforskare finansierad av US Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och US Department of Energy, syftar till att skapa en battericell med en energitäthet på 500Wh/kg. Det är med andra ord dubbelt så mycket energitäthet som dagens mest avancerade batterier. För detta ändamål fokuserar alliansen på batterier gjorda av litiummetallanoder.

Litiummetallbatterier använder litiummetall som anod. Däremot använder de flesta litiumbatterier grafit som anod. “Litiumanoden är en av nyckelfaktorerna för att nå Battery500 energitäthetsmålet”, sa forskarna. ”Fördelen är att energitätheten är dubbelt så stor som befintliga batterier. För det första är anodens specifika kapacitet mycket hög; För det andra kan du ha ett batteri med högre spänning, och kombinationen av de två kan ha en högre energitäthet.”

Forskare har länge insett fördelarna med litiumanoder; i själva verket är litiummetallanoden den första anoden som är kopplad till batterikatoden. Men på grund av bristen på “reversibilitet” hos anoden, det vill säga förmågan att ladda genom en reversibel elektrokemisk reaktion, slutade batteriforskare med att använda grafitanoder istället för litiummetallanoder för att tillverka litiumbatterier.

Nu, efter decennier av framsteg, är forskare säkra på att kunna realisera en reversibel litiummetallanod för att tänja på gränserna för litiumbatterier. Nyckeln är gränssnittet, det fasta materialskiktet som bildas på batteriets elektroder under den elektrokemiska reaktionen.

“Om vi ​​till fullo kan förstå detta gränssnitt kan det ge viktig vägledning för materialdesign och tillverkning av reversibla litiumanoder,” sa forskarna. “Men att förstå det här gränssnittet är en ganska utmaning eftersom det är ett mycket tunt lager av material, bara några nanometer tjockt, och det är känsligt för luft och fukt, så det är svårt att hantera prover.”

Detta gränssnitt är visualiserat i NSLS-II

För att lösa dessa utmaningar och “se” den kemiska sammansättningen och strukturen av gränssnittet använde forskarna National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), en användaranläggning av DOE Science Office of Brookhaven National Laboratory, som producerar super ljusa röntgenstrålar för att studera materialegenskaperna hos gränssnittet på atomär skala.

Förutom att använda de avancerade funktionerna i nSLS-II behöver teamet också använda en strållinje (experimentstation) som kan detektera alla komponenter i gränssnittet, och använda högenergi (kortvåglängd) röntgenstrålar för att detektera kristallina och amorfa faser.

“Kemiteamet antog XPD multi-mode-metoden, med två olika tekniker som tillhandahålls av beamline, röntgendiffraktion (XRD) och distributionsfunktion (PDF) analys,” sa forskarna. “XRD kan studera kristallina faser, och PDF kan studera amorfa faser.”

XRD och PDF-analys visade spännande resultat: Litiumhydrid (LiH) finns i gränssnittet. I decennier har forskare argumenterat om existensen av LiH i gränssnittet, vilket skapar osäkerhet om den grundläggande reaktionsmekanismen som utgör gränssnittet.

“LiH och litiumfluorid (LiF) har väldigt likartade kristallstrukturer. Vårt påstående om upptäckten av LiH har ifrågasatts av vissa människor som tror att vi misstar LiF för LiH”, sa forskaren.

Med tanke på kontroversen som är involverad i studien och de tekniska utmaningarna med att skilja LiH från LiF, beslutade forskargruppen att tillhandahålla flera bevis för existensen av LiH, inklusive att utföra luftexponeringsexperiment.

“Forskare sa: “LiF är stabilt i luften, men LiH är instabilt. Om vi ​​utsätter gränssnittet för fuktig luft, och om mängden förening minskar med tiden, kan vi bekräfta att vi verkligen ser LiH, inte LiF, och det är LiF. På grund av svårigheten att skilja LiH från LiF och luftexponeringsexperimentet har aldrig utförts tidigare, är LiH mest sannolikt att misstas för LiF i många litteraturrapporter, eller så observeras det inte på grund av LiH-nedbrytning i en fuktig miljö. ”

Forskaren fortsatte. “Det provförberedande arbetet som utförs av PNNL är avgörande för denna forskning. Vi misstänker att många människor misslyckas med att identifiera LiH eftersom deras prover exponerades för en fuktig miljö innan experimentet.” Om du inte samlat in proverna korrekt, försegla proverna och fraktprover, kan du missa LiH. ”

Förutom att bekräfta existensen av LiH, löste teamet även ett annat långvarigt mysterium kring LiF. LiF har länge ansetts vara en fördelaktig komponent i gränssnittet, men ingen förstår helt orsaken. Teamet bestämde de strukturella skillnaderna för LiF inom gränssnittet och de flesta av de strukturella skillnaderna i LiF själv, och fann att den förra främjade transporten av litiumjoner mellan anoden och katoden.

Batteriforskare från Brookhaven National Laboratory, andra nationella laboratorier och universitet fortsätter att samarbeta. Forskarna sa att dessa resultat kommer att ge välbehövlig praktisk vägledning för utvecklingen av litiummetallanoder.