site logo

Ang paggalugad at pagtuklas ay nakakatulong sa pagbuo ng produkto ng mas maliliit, mas magaan at mas mababang mga baterya ng kotse

Ayon sa mga ulat ng dayuhang media, ang isang grupo ng mga mananaliksik sa Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) ng US Department of Energy (DOE) ay nagpasiya ng mga bagong detalye tungkol sa panloob na mekanismo ng reaksyon ng mga baterya ng lithium metal anode. , Isang mahalagang hakbang para sa mas murang mga baterya ng sasakyang de-kuryente.

Mga mananaliksik ng baterya sa Brookhaven National Laboratory (Pinagmulan ng larawan: Brookhaven National Laboratory)

Muling paggawa ng Lithium Anode

Mula sa mga smart phone hanggang sa mga de-kuryenteng sasakyan, makikita natin ang tradisyon. Bagama’t ang mga bateryang lithium ay nagbigay-daan sa maraming teknolohiya na malawakang magamit, nahaharap pa rin sila sa mga hamon sa pagbibigay ng malayuang kapangyarihan para sa mga de-kuryenteng sasakyan.

Ang Battery500, isang alyansa na pinamumunuan ng mga mananaliksik sa unibersidad na pinondohan ng Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ng US Department of Energy at ng US Department of Energy, ay naglalayong lumikha ng cell ng baterya na may density ng enerhiya na 500Wh/kg. Sa madaling salita, ito ay dalawang beses ang density ng enerhiya ng mga pinaka-advanced na baterya ngayon. Sa layuning ito, ang alyansa ay nakatuon sa mga baterya na gawa sa lithium metal anodes.

Ang mga baterya ng lithium metal ay gumagamit ng lithium metal bilang anode. Sa kaibahan, karamihan sa mga baterya ng lithium ay gumagamit ng grapayt bilang anode. “Ang lithium anode ay isa sa mga pangunahing salik sa pag-abot sa layunin ng densidad ng enerhiya ng Battery500,” sabi ng mga mananaliksik. “Ang kalamangan ay ang density ng enerhiya ay dalawang beses kaysa sa mga umiiral na baterya. Una, ang tiyak na kapasidad ng anode ay napakataas; pangalawa, maaari kang magkaroon ng mas mataas na boltahe na baterya, at ang kumbinasyon ng dalawa ay maaaring magkaroon ng mas mataas na density ng enerhiya.”

Matagal nang kinikilala ng mga siyentipiko ang mga pakinabang ng lithium anodes; sa katunayan, ang lithium metal anode ay ang unang anode na isinama sa katod ng baterya. Gayunpaman, dahil sa kakulangan ng “reversibility” ng anode, iyon ay, ang kakayahang mag-charge sa pamamagitan ng isang reversible electrochemical reaction, ginamit ng mga mananaliksik ng baterya ang mga graphite anodes sa halip na mga lithium metal anodes upang gumawa ng mga baterya ng lithium.

Ngayon, pagkatapos ng mga dekada ng pag-unlad, ang mga mananaliksik ay tiwala na mapagtanto ang isang nababaligtad na lithium metal anode upang itulak ang mga limitasyon ng mga baterya ng lithium. Ang susi ay ang interface, ang solidong layer ng materyal na nabubuo sa mga electrodes ng baterya sa panahon ng electrochemical reaction.

“Kung lubos nating mauunawaan ang interface na ito, maaari itong magbigay ng mahalagang patnubay para sa disenyo ng materyal at paggawa ng mga nababaligtad na lithium anodes,” sabi ng mga mananaliksik. “Ngunit ang pag-unawa sa interface na ito ay isang hamon dahil ito ay isang napakanipis na layer ng materyal, ilang nanometer lamang ang kapal, at ito ay sensitibo sa hangin at halumigmig, kaya ang paghawak ng mga sample ay nakakalito.”

Ang interface na ito ay nakikita sa NSLS-II

Upang malutas ang mga hamong ito at “makita” ang kemikal na komposisyon at istraktura ng interface, ginamit ng mga mananaliksik ang National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), isang pasilidad ng gumagamit ng DOE Science Office ng Brookhaven National Laboratory, na gumagawa ng sobrang maliwanag na X-ray upang pag-aralan ang mga materyal na katangian ng interface sa atomic scale.

Bilang karagdagan sa paggamit ng mga advanced na kakayahan ng nSLS-II, kailangan din ng team na gumamit ng beam line (experimental station) na makaka-detect ng lahat ng bahagi ng interface, at gumamit ng high-energy (short-wavelength) X-ray para makakita ng crystalline at mga amorphous phase.

“Pinagtibay ng pangkat ng chemistry ang XPD multi-mode na diskarte, gamit ang dalawang magkaibang pamamaraan na ibinigay ng beamline, X-ray diffraction (XRD) at distribution function (PDF) analysis,” sabi ng mga mananaliksik. “Ang XRD ay maaaring mag-aral ng mga crystalline phase, at ang PDF ay maaaring mag-aral ng mga amorphous phase.”

Ang pagsusuri sa XRD at PDF ay nagsiwalat ng mga kapana-panabik na resulta: Ang Lithium hydride (LiH) ay umiiral sa interface. Sa loob ng mga dekada, ang mga siyentipiko ay nagtatalo tungkol sa pagkakaroon ng LiH sa interface, na lumilikha ng kawalan ng katiyakan tungkol sa pangunahing mekanismo ng reaksyon na bumubuo sa interface.

“Ang LiH at lithium fluoride (LiF) ay may halos magkatulad na istrukturang kristal. Ang aming pag-angkin tungkol sa pagtuklas ng LiH ay kinuwestiyon ng ilang tao na naniniwala na napagkakamalan naming LiF ang LiH,” sabi ng mananaliksik.

Dahil sa kontrobersyang kasangkot sa pag-aaral at sa mga teknikal na hamon ng pagkilala sa LiH mula sa LiF, nagpasya ang pangkat ng pananaliksik na magbigay ng maraming piraso ng ebidensya para sa pagkakaroon ng LiH, kabilang ang pagsasagawa ng mga eksperimento sa pagkakalantad sa hangin.

“Sinabi ng mga mananaliksik: “Ang LiF ay matatag sa hangin, ngunit ang LiH ay hindi matatag. Kung ilalantad natin ang interface sa mahalumigmig na hangin, at kung bumababa ang dami ng compound sa paglipas ng panahon, makukumpirma natin na talagang nakikita natin ang LiH, hindi ang LiF, at ito ay LiF. Dahil sa kahirapan ng pagkilala sa LiH mula sa LiF at ang eksperimento sa pagkakalantad sa hangin ay hindi pa naisagawa bago, ang LiH ay malamang na mapagkamalang LiF sa maraming mga ulat sa panitikan, o hindi ito naobserbahan dahil sa pagkabulok ng LiH sa isang mahalumigmig na kapaligiran. ”

Nagpatuloy ang mananaliksik. “Ang sample na paghahanda sa trabaho na ginawa ng PNNL ay kritikal sa pananaliksik na ito. Pinaghihinalaan namin na maraming tao ang nabigo upang makilala ang LiH dahil ang kanilang mga sample ay nalantad sa isang mahalumigmig na kapaligiran bago ang eksperimento.” Kung hindi mo nakolekta nang tama ang mga sample, selyuhan ang mga sample at mga sample sa Pagpapadala, maaari mong makaligtaan ang LiH. ”

Bilang karagdagan sa pagkumpirma sa pagkakaroon ng LiH, nalutas din ng koponan ang isa pang matagal nang misteryong nakapalibot sa LiF. Ang LiF ay matagal nang itinuturing na isang kapaki-pakinabang na bahagi ng interface, ngunit walang ganap na nauunawaan ang dahilan. Tinukoy ng koponan ang mga pagkakaiba sa istruktura ng LiF sa loob ng interface at karamihan sa mga pagkakaiba sa istruktura ng LiF mismo, at nalaman na ang dating ay nagsulong ng transportasyon ng mga lithium ions sa pagitan ng anode at ng katod.

Patuloy na nakikipagtulungan ang mga battery scientist mula sa Brookhaven National Laboratory, iba pang pambansang laboratoryo, at unibersidad. Sinabi ng mga mananaliksik na ang mga resultang ito ay magbibigay ng kinakailangang praktikal na patnubay para sa pagbuo ng lithium metal anodes.