Kulingana na ripoti za vyombo vya habari vya kigeni, kikundi cha watafiti katika Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven (Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven) ya Idara ya Nishati ya Merika (DOE) imeamua maelezo mapya kuhusu utaratibu wa athari ya ndani ya betri za anodi ya lithiamu. , Hatua muhimu kwa betri za gari za umeme za bei nafuu.

Watafiti wa betri katika Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven (Chanzo cha picha: Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven)

Utengenezaji upya wa Lithium Anode

Kuanzia simu mahiri hadi magari yanayotumia umeme, tunaweza kuona utamaduni huo. Ingawa betri za lithiamu zimewezesha teknolojia nyingi kutumika kwa wingi, bado zinakabiliwa na changamoto katika kutoa nishati ya masafa marefu kwa magari yanayotumia umeme.

Battery500, muungano unaoongozwa na watafiti wa vyuo vikuu unaofadhiliwa na Idara ya Nishati ya Maabara ya Kitaifa ya Pasifiki ya Kaskazini-Magharibi ya Marekani (PNNL) na Idara ya Nishati ya Marekani, inalenga kuunda seli ya betri yenye msongamano wa nishati wa 500Wh/kg. Kwa maneno mengine, ni mara mbili ya msongamano wa nishati wa betri za kisasa zaidi. Ili kufikia mwisho huu, muungano unazingatia betri zilizofanywa na anodi za chuma za lithiamu.

Betri za chuma za lithiamu hutumia chuma cha lithiamu kama anode. Kinyume chake, betri nyingi za lithiamu hutumia grafiti kama anode. “Anode ya lithiamu ni moja wapo ya mambo muhimu katika kufikia lengo la msongamano wa nishati ya Battery500,” watafiti walisema. “Faida ni kwamba msongamano wa nishati ni mara mbili ya betri zilizopo. Kwanza, uwezo maalum wa anode ni wa juu sana; pili, unaweza kuwa na betri ya volti ya juu zaidi, na mchanganyiko wa hizo mbili unaweza kuwa na msongamano mkubwa wa nishati.”

Wanasayansi wametambua kwa muda mrefu faida za anodi za lithiamu; kwa kweli, anodi ya chuma ya lithiamu ni anode ya kwanza iliyounganishwa na cathode ya betri. Walakini, kwa sababu ya ukosefu wa “kubadilika” kwa anode, ambayo ni, uwezo wa kuchaji kupitia mmenyuko wa elektrokemia inayoweza kubadilika, watafiti wa betri walimaliza kutumia anodi za grafiti badala ya anode za chuma za lithiamu kutengeneza betri za lithiamu.

Sasa, baada ya miongo kadhaa ya maendeleo, watafiti wana ujasiri wa kutambua anode ya chuma ya lithiamu inayoweza kubadilishwa ili kusukuma mipaka ya betri za lithiamu. Ufunguo ni kiolesura, safu ya nyenzo dhabiti ambayo huunda kwenye elektrodi za betri wakati wa mmenyuko wa kielektroniki.

“Ikiwa tunaweza kuelewa kiolesura hiki kikamilifu, kinaweza kutoa mwongozo muhimu kwa muundo wa nyenzo na utengenezaji wa anodi za lithiamu zinazoweza kubadilishwa,” watafiti walisema. “Lakini kuelewa kiolesura hiki ni changamoto sana kwa sababu ni safu nyembamba sana ya nyenzo, unene wa nanomita chache tu, na ni nyeti kwa hewa na unyevu, kwa hivyo kushughulikia sampuli ni gumu.”

Kiolesura hiki kinaonyeshwa katika NSLS-II

Ili kutatua changamoto hizi na “kuona” muundo wa kemikali na muundo wa kiolesura, watafiti walitumia Nuru ya Kitaifa ya Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), kituo cha watumiaji wa Ofisi ya Sayansi ya DOE ya Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven, ambayo hutoa. X-rays angavu sana kusoma sifa za nyenzo za kiolesura kwenye mizani ya atomiki.

Mbali na kutumia uwezo wa hali ya juu wa nSLS-II, timu pia inahitaji kutumia laini ya boriti (kituo cha majaribio) inayoweza kugundua vipengee vyote vya kiolesura, na kutumia mionzi ya eksirei yenye nishati ya juu (ya mawimbi mafupi) ili kugundua fuwele. na awamu za amofasi.

“Timu ya kemia ilipitisha mbinu ya aina nyingi za XPD, kwa kutumia mbinu mbili tofauti zinazotolewa na mstari wa boriti, diffraction ya X-ray (XRD) na uchambuzi wa kazi ya usambazaji (PDF),” watafiti walisema. “XRD inaweza kusoma awamu za fuwele, na PDF inaweza kusoma awamu za amofasi.”

Uchambuzi wa XRD na PDF ulifunua matokeo ya kusisimua: Lithium hidridi (LiH) ipo kwenye kiolesura. Kwa miongo kadhaa, wanasayansi wamekuwa wakibishana kuhusu kuwepo kwa LiH kwenye kiolesura, na hivyo kusababisha kutokuwa na uhakika kuhusu utaratibu wa kimsingi wa majibu ambao huunda kiolesura.

“LiH na floridi ya lithiamu (LiF) zina miundo ya fuwele inayofanana. Madai yetu kuhusu ugunduzi wa LiH yametiliwa shaka na baadhi ya watu wanaoamini kwamba tunakosea LiF kwa LiH,” mtafiti alisema.

Kwa kuzingatia utata uliohusika katika utafiti na changamoto za kiufundi za kutofautisha LiH na LiF, timu ya utafiti iliamua kutoa vipande vingi vya ushahidi wa kuwepo kwa LiH, ikiwa ni pamoja na kufanya majaribio ya kufichua hewa.

“Watafiti walisema: “LiF ni thabiti hewani, lakini LiH haina msimamo. Ikiwa tutaweka kiolesura kwa hewa yenye unyevunyevu, na ikiwa kiasi cha kiwanja kinapungua baada ya muda, tunaweza kuthibitisha kwamba kwa hakika tunaona LiH, si LiF, na ni LiF. Kwa sababu ya ugumu wa kutofautisha LiH na LiF na jaribio la mfiduo wa hewa halijawahi kufanywa hapo awali, LiH ina uwezekano mkubwa wa kudhaniwa kimakosa na LiF katika ripoti nyingi za fasihi, au haizingatiwi kutokana na mtengano wa LiH katika mazingira yenye unyevunyevu. ”

Mtafiti aliendelea. “Sampuli ya kazi ya maandalizi iliyofanywa na PNNL ni muhimu kwa utafiti huu. Tunashuku kuwa watu wengi wanashindwa kutambua LiH kwa sababu sampuli zao ziliwekwa kwenye mazingira yenye unyevunyevu kabla ya jaribio. Iwapo hukukusanya sampuli kwa usahihi, funga sampuli na sampuli za Usafirishaji, unaweza kukosa LiH. ”

Mbali na kuthibitisha kuwepo kwa LiH, timu pia ilitatua fumbo lingine la muda mrefu kuhusu LiF. LiF kwa muda mrefu imekuwa kuchukuliwa kuwa sehemu ya manufaa ya interface, lakini hakuna mtu anayeelewa kikamilifu sababu. Timu iliamua tofauti za miundo ya LiF ndani ya kiolesura na tofauti nyingi za miundo ya LiF yenyewe, na ikagundua kuwa ya kwanza ilikuza usafirishaji wa ayoni za lithiamu kati ya anode na cathode.

Wanasayansi wa betri kutoka Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven, maabara zingine za kitaifa, na vyuo vikuu wanaendelea kushirikiana. Watafiti walisema kuwa matokeo haya yatatoa mwongozo wa vitendo unaohitajika sana kwa maendeleo ya anodi za chuma za lithiamu.