Бино ба хабари расонаҳои хориҷӣ, як гурӯҳи муҳаққиқони лабораторияи миллии Брукхавен (Лабораторияи миллии Брукхавен)-и Вазорати энергетикаи ИМА (DOE) тафсилоти навро дар бораи механизми реаксияи дохилии батареяҳои анодҳои металлии литий муайян карданд. , Як икдоми мухим барои аккумуляторхои автомобильхои электрикии арзон.

Муҳаққиқони батарея дар Лабораторияи Миллии Брукхавен (Манбаи тасвир: Лабораторияи Миллии Брукхавен)

Азнавсозии аноди литий

Аз телефонҳои интеллектуалӣ то мошинҳои барқӣ мо анъанаро дида метавонем. Гарчанде ки батареяҳои литийӣ ба бисёр технологияҳо имкон доданд, ки ба таври васеъ истифода шаванд, онҳо то ҳол дар таъмини нерӯи барқи масофаи дур барои мошинҳои барқӣ бо мушкилот рӯбарӯ мешаванд.

Battery500, иттифоқе, ки аз ҷониби муҳаққиқони донишгоҳӣ таҳти сарварии муҳаққиқони донишгоҳӣ, ки аз ҷониби Вазорати энергетикаи ИМА дар Лабораторияи миллии шимолу ғарбии уқёнуси Ором (PNNL) ва Вазорати энергетикаи ИМА маблағгузорӣ мешавад, ҳадафи сохтани як ҳуҷайраи батарея бо зичии энергияи 500 Вт/кг мебошад. Ба ибораи дигар, он ду баробар зичии энергия аз батареяҳои пешрафтаи имрӯза аст. Бо ин мақсад, иттиҳод ба батареяҳои аз анодҳои металлии литий сохташуда диққати махсус медиҳад.

Батареяҳои металлии литий металли литийро ҳамчун анод истифода мебаранд. Баръакс, аксари батареяҳои литий графитро ҳамчун анод истифода мебаранд. “Аноди литий яке аз омилҳои калидӣ дар расидан ба ҳадафи зичии энергетикии Battery500 аст” гуфт муҳаққиқон. «Бартарии он дар он аст, ки зичии энергия нисбат ба батареяҳои мавҷуда ду баробар зиёд аст. Якум, иктидори хоси анод хеле баланд аст; дуюм, шумо метавонед батареяи баландтар дошта бошед ва омезиши ин ду метавонад зичии баландтари энергия дошта бошад.”

Олимон кайхо боз афзалиятхои анодхои литийро эътироф кардаанд; дар асл, аноди металли литий аввалин аноди бо катоди батарея пайвастшуда мебошад. Аммо аз сабаби набудани «бозгашти» анод, яъне қобилияти пур кардани барқ ​​тавассути реаксияи баръакси электрохимиявӣ, тадқиқотчиёни батарея барои сохтани батареяҳои литийӣ ба ҷои анодҳои металлии литий аз анодҳои графитӣ истифода бурданд.

Ҳоло, пас аз даҳсолаҳои пешрафт, муҳаққиқон итминон доранд, ки аноди металлии литийи баргардонидашавандаро барои пешбурди маҳдудиятҳои батареяҳои литийӣ амалӣ мекунанд. Калид ин интерфейс, қабати сахти моддӣ мебошад, ки дар электродҳои батарея ҳангоми реаксияи электрохимиявӣ ба вуҷуд меояд.

“Агар мо ин интерфейсро пурра дарк карда тавонем, он метавонад барои тарҳрезии моддӣ ва истеҳсоли анодҳои литийии баръакс роҳнамоии муҳим диҳад” гуфт муҳаққиқон. “Аммо фаҳмидани ин интерфейс хеле мушкил аст, зеро он як қабати хеле тунуки мавод аст, ғафсӣ ҳамагӣ чанд нанометр аст ва ба ҳаво ва намӣ ҳассос аст, аз ин рӯ коркарди намунаҳо душвор аст.”

Ин интерфейс дар NSLS-II тасвир шудааст

Барои ҳалли ин мушкилот ва “бинидани” таркиби кимиёвӣ ва сохтори интерфейс, муҳаққиқон манбаи нури нури синхротронии миллии II (NSLS-II), як иншооти корбарии Дафтари илмии DOE-и Лабораторияи Миллии Брукхавенро истифода бурданд. рентгенҳои хеле дурахшон барои омӯзиши хосиятҳои моддии интерфейс дар миқёси атомӣ.

Илова ба истифодаи имкониятҳои пешрафтаи nSLS-II, ба даста инчунин лозим аст, ки хатти чӯбро (стансияи таҷрибавӣ) истифода барад, ки метавонад ҳамаи ҷузъҳои интерфейсро муайян кунад ва рентгенҳои энергияи баландро (дарозии кӯтоҳ) барои ошкор кардани кристалл истифода барад. ва фазаҳои аморфӣ.

“Гурӯҳи химия равиши бисёрҷонибаи XPD-ро бо истифода аз ду усули мухталифе, ки аз ҷониби хати нур, дифраксияи рентгенӣ (XRD) ва функсияи тақсимот (PDF) пешбинӣ шудааст, қабул кард” гуфт муҳаққиқон. “XRD метавонад фазаҳои кристалиро омӯзад ва PDF метавонад фазаҳои аморфро омӯзад.”

Таҳлили XRD ва PDF натиҷаҳои ҳаяҷонбахшро нишон дод: гидриди литий (LiH) дар интерфейс мавҷуд аст. Дар тӯли даҳсолаҳо, олимон дар бораи мавҷудияти LiH дар интерфейс баҳс мекарданд ва дар бораи механизми асосии реаксия, ки интерфейсро ташкил медиҳанд, номуайяниро ба вуҷуд меоранд.

“LiH ва фториди литий (LiF) сохторҳои кристалии хеле монанд доранд. Даъвои мо дар бораи кашфи LiH аз ҷониби баъзе одамон зери шубҳа гузошта шуд, ки боварӣ доранд, ки мо LiF-ро бо LiH иштибоҳ мекунем “гуфт муҳаққиқ.

Бо дарназардошти ихтилофот дар таҳқиқот ва мушкилоти техникии фарқ кардани LiH аз LiF, гурӯҳи тадқиқотӣ тасмим гирифт, ки далелҳои сершумори мавҷудияти LiH, аз ҷумла гузаронидани таҷрибаҳои таъсири ҳаворо пешниҳод кунад.

“Тадқиқотчиён гуфтанд: “LiF дар ҳаво устувор аст, аммо LiH ноустувор аст. Агар мо интерфейсро ба ҳавои намнок дучор кунем ва агар миқдори пайвастагиҳо бо мурури замон кам шавад, мо метавонем тасдиқ кунем, ки мо воқеан LiH-ро мебинем, на LiF ва он LiF аст. Аз сабаби мушкилии фарқ кардани LiH аз LiF ва озмоиши таъсири ҳаво қаблан анҷом дода нашудааст, эҳтимолан LiH дар бисёр гузоришҳои адабиёт бо LiF иштибоҳ карда мешавад ё аз сабаби таҷзияи LiH дар муҳити намнок мушоҳида намешавад. »

Муҳаққиқ идома дод. “Кори омодасозии намуна аз ҷониби PNNL барои ин тадқиқот муҳим аст. Мо гумон дорем, ки бисёр одамон LiH-ро муайян карда наметавонанд, зеро намунаҳои онҳо пеш аз озмоиш ба муҳити намнок дучор шуда буданд.” Агар шумо намунаҳоро дуруст ҷамъ накарда бошед, намунаҳоро мӯҳр кунед ва намунаҳои интиқолро мӯҳр занед, шумо метавонед LiH-ро аз даст диҳед. »

Илова бар тасдиқи мавҷудияти LiH, даста боз як сирри дерина дар атрофи LiF-ро ҳал кард. LiF кайҳо боз як ҷузъи муфиди интерфейс ҳисобида мешуд, аммо ҳеҷ кас сабаби онро пурра намефаҳмад. Даста фарқиятҳои сохтории LiF-ро дар дохили интерфейс ва аксари фарқиятҳои сохтории худи LiF муайян кард ва муайян кард, ки аввалин интиқоли ионҳои литийро байни анод ва катод мусоидат мекунад.

Олимони батарея аз Лабораторияи Миллии Брукхавен, дигар лабораторияҳои миллӣ ва донишгоҳҳо ҳамкориро идома медиҳанд. Муҳаққиқон гуфтанд, ки ин натиҷаҳо дастурҳои амалии хеле заруриро барои таҳияи анодҳои металлии литий таъмин хоҳанд кард.