ตามรายงานของสื่อต่างประเทศ กลุ่มนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน (ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคฮาเวน) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ได้กำหนดรายละเอียดใหม่เกี่ยวกับกลไกปฏิกิริยาภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลแอโนด ,ขั้นตอนสำคัญสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าราคาถูก

นักวิจัยแบตเตอรี่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven (แหล่งรูปภาพ: Brookhaven National Laboratory)

การผลิตซ้ำของลิเธียมแอโนด

จากสมาร์ทโฟนไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้า เราสามารถเห็นประเพณี แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมได้เปิดใช้งานเทคโนโลยีมากมายให้ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังเผชิญกับความท้าทายในการจัดหาพลังงานทางไกลสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

Battery500 ซึ่งเป็นพันธมิตรที่นำโดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยที่ได้รับทุนจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ มีเป้าหมายที่จะสร้างเซลล์แบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 500Wh/kg กล่าวคือ มีความหนาแน่นพลังงานเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ที่ล้ำสมัยที่สุดในปัจจุบัน ด้วยเหตุนี้ พันธมิตรจึงมุ่งเน้นไปที่แบตเตอรี่ที่ทำจากแอโนดโลหะลิเธียม

แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลใช้โลหะลิเธียมเป็นแอโนด ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ใช้กราไฟท์เป็นแอโนด “ลิเธียมแอโนดเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญในการบรรลุเป้าหมายความหนาแน่นพลังงานของ Battery500” นักวิจัยกล่าว “ข้อดีคือความหนาแน่นของพลังงานเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ที่มีอยู่ ประการแรกความจุเฉพาะของขั้วบวกนั้นสูงมาก ประการที่สอง คุณสามารถมีแบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง และการรวมกันของทั้งสองสามารถมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น”

นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักถึงข้อดีของลิเธียมแอโนดมานานแล้ว อันที่จริงขั้วบวกโลหะลิเธียมเป็นขั้วบวกแรกที่เชื่อมต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มี “ความสามารถในการย้อนกลับ” ของแอโนด นั่นคือ ความสามารถในการชาร์จผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบย้อนกลับได้ นักวิจัยแบตเตอรี่จึงลงเอยด้วยการใช้แกรไฟต์แอโนดแทนแอโนดโลหะลิเธียมในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม

หลังจากผ่านไปหลายทศวรรษ นักวิจัยมั่นใจว่าจะได้ใช้ขั้วบวกของโลหะลิเธียมแบบย้อนกลับได้ เพื่อผลักดันขีดจำกัดของแบตเตอรี่ลิเธียม กุญแจสำคัญคือส่วนต่อประสาน ซึ่งเป็นชั้นวัสดุแข็งที่ก่อตัวบนอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ระหว่างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี

“หากเราเข้าใจอินเทอร์เฟซนี้อย่างถ่องแท้ มันสามารถให้คำแนะนำที่สำคัญสำหรับการออกแบบวัสดุและการผลิตลิเธียมแอโนดแบบย้อนกลับได้” นักวิจัยกล่าว “แต่การทำความเข้าใจอินเทอร์เฟซนี้ค่อนข้างท้าทายเพราะเป็นชั้นวัสดุที่บางมาก มีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร และไวต่ออากาศและความชื้น ดังนั้นการจัดการตัวอย่างจึงค่อนข้างยุ่งยาก”

อินเทอร์เฟซนี้แสดงเป็นภาพใน NSLS-II

นักวิจัยได้ใช้ National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II) ซึ่งเป็นหน่วยงานผู้ใช้ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven เพื่อแก้ปัญหาความท้าทายเหล่านี้และ “เห็น” องค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของอินเทอร์เฟซ รังสีเอกซ์ที่สว่างมากเพื่อศึกษาคุณสมบัติของวัสดุของส่วนต่อประสานในระดับอะตอม

นอกจากการใช้ความสามารถขั้นสูงของ nSLS-II แล้ว ทีมงานยังจำเป็นต้องใช้ลำแสง (สถานีทดลอง) ที่สามารถตรวจจับส่วนประกอบทั้งหมดของอินเทอร์เฟซ และใช้รังสีเอกซ์พลังงานสูง (ความยาวคลื่นสั้น) เพื่อตรวจจับผลึก และเฟสอสัณฐาน

“ทีมเคมีใช้วิธีการแบบหลายโหมดของ XPD โดยใช้เทคนิคสองแบบที่มาจากการวิเคราะห์บีมไลน์ การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และฟังก์ชันการกระจาย (PDF)” นักวิจัยกล่าว “XRD สามารถศึกษาเฟสผลึก และ PDF สามารถศึกษาเฟสอสัณฐานได้”

การวิเคราะห์ XRD และ PDF เปิดเผยผลลัพธ์ที่น่าตื่นเต้น: มีลิเธียมไฮไดรด์ (LiH) อยู่ในอินเทอร์เฟซ เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้โต้เถียงกันเกี่ยวกับการมีอยู่ของ LiH ในส่วนต่อประสาน ทำให้เกิดความไม่แน่นอนเกี่ยวกับกลไกปฏิกิริยาพื้นฐานที่สร้างส่วนต่อประสาน

“LiH และลิเธียมฟลูออไรด์ (LiF) มีโครงสร้างผลึกที่คล้ายกันมาก การอ้างสิทธิ์ของเราเกี่ยวกับการค้นพบ LiH ถูกตั้งคำถามโดยบางคนที่เชื่อว่าเราเข้าใจผิดว่า LiF เป็น LiH” นักวิจัยกล่าว

ในมุมมองของความขัดแย้งที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยและความท้าทายทางเทคนิคในการแยกแยะ LiH ออกจาก LiF ทีมวิจัยจึงตัดสินใจที่จะให้หลักฐานหลายชิ้นสำหรับการมีอยู่ของ LiH รวมถึงการทดลองการสัมผัสอากาศ

“นักวิจัยกล่าวว่า LiF มีความเสถียรในอากาศ แต่ LiH นั้นไม่เสถียร หากเราเปิดเผยส่วนต่อประสานกับอากาศชื้น และหากปริมาณของสารประกอบลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เราสามารถยืนยันได้ว่าเราเห็น LiH จริงๆ ไม่ใช่ LiF และมันคือ LiF เนื่องจากความยากลำบากในการแยกแยะ LiH ออกจาก LiF และการทดลองการสัมผัสกับอากาศไม่เคยมีการดำเนินการมาก่อน LiH มักจะถูกเข้าใจผิดว่าเป็น LiF ในรายงานวรรณกรรมจำนวนมาก หรือไม่สังเกตพบเนื่องจากการสลายตัวของ LiH ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น ”

นักวิจัยกล่าวต่อ “งานเตรียมตัวอย่างที่ทำโดย PNNL มีความสำคัญต่อการวิจัยครั้งนี้ เราสงสัยว่าหลายคนไม่สามารถระบุ LiH ได้เนื่องจากตัวอย่างของพวกเขาสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่ชื้นก่อนการทดลอง” หากคุณรวบรวมตัวอย่างไม่ถูกต้อง ปิดผนึกตัวอย่างและตัวอย่างการจัดส่ง คุณอาจพลาด LiH ”

นอกจากการยืนยันการมีอยู่ของ LiH แล้ว ทีมงานยังได้ไขปริศนาลึกลับที่อยู่รายรอบ LiF มาอย่างยาวนานอีกด้วย LiF ได้รับการพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบที่เป็นประโยชน์ของอินเทอร์เฟซมานานแล้ว แต่ไม่มีใครเข้าใจเหตุผลอย่างเต็มที่ ทีมงานได้กำหนดความแตกต่างของโครงสร้างของ LiF ภายในอินเทอร์เฟซและความแตกต่างของโครงสร้างส่วนใหญ่ของ LiF เอง และพบว่าก่อนหน้านี้สนับสนุนการขนส่งลิเธียมไอออนระหว่างแอโนดและแคโทด

นักวิทยาศาสตร์ด้านแบตเตอรี่จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ห้องปฏิบัติการระดับชาติอื่นๆ และมหาวิทยาลัยต่างๆ ยังคงให้ความร่วมมือ นักวิจัยกล่าวว่าผลลัพธ์เหล่านี้จะให้แนวทางปฏิบัติที่จำเป็นมากสำหรับการพัฒนาขั้วบวกของโลหะลิเธียม