Yabancı basında çıkan haberlere göre, ABD Enerji Bakanlığı’na (DOE) bağlı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda (Brookhaven Ulusal Laboratuvarı) bir grup araştırmacı, lityum metal anot pillerin iç reaksiyon mekanizması hakkında yeni ayrıntılar belirledi. , Daha ucuz elektrikli araç aküleri için önemli bir adım.

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki pil araştırmacıları (Resim kaynağı: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı)

Lityum Anotun Yeniden İmalatı

Akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar geleneği görebiliyoruz. Lityum piller, birçok teknolojinin yaygın olarak kullanılmasını sağlasa da, elektrikli araçlar için uzun mesafeli güç sağlama konusunda hala zorluklarla karşılaşıyorlar.

ABD Enerji Bakanlığı’nın Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı (PNNL) ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen, üniversite araştırmacıları tarafından yönetilen bir ittifak olan Battery500, 500Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip bir pil hücresi oluşturmayı hedefliyor. Başka bir deyişle, günümüzün en gelişmiş pillerinin enerji yoğunluğunun iki katıdır. Bu amaçla ittifak, lityum metal anotlardan yapılmış pillere odaklanıyor.

Lityum metal piller, anot olarak lityum metal kullanır. Buna karşılık, çoğu lityum pil anot olarak grafit kullanır. Araştırmacılar, “Lityum anot, Battery500 enerji yoğunluğu hedefine ulaşmada kilit faktörlerden biri” dedi. Avantajı, enerji yoğunluğunun mevcut pillerin iki katı olmasıdır. Birincisi, anotun özgül kapasitesi çok yüksektir; ikincisi, daha yüksek voltajlı bir piliniz olabilir ve ikisinin kombinasyonu daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip olabilir.”

Bilim adamları, lityum anotların avantajlarını uzun zamandır kabul ediyor; aslında, lityum metal anot, pil katoduna bağlanan ilk anottur. Bununla birlikte, anotun “ters çevrilebilirliğinin” olmaması, yani tersinir bir elektrokimyasal reaksiyon yoluyla şarj olma yeteneği nedeniyle, pil araştırmacıları lityum piller yapmak için lityum metal anotlar yerine grafit anotlar kullanmaya karar verdiler.

Şimdi, onlarca yıllık ilerlemenin ardından araştırmacılar, lityum pillerin sınırlarını zorlamak için tersine çevrilebilir bir lityum metal anot gerçekleştireceklerinden eminler. Anahtar, elektrokimyasal reaksiyon sırasında pilin elektrotları üzerinde oluşan katı malzeme tabakası olan arayüzdür.

Araştırmacılar, “Bu arayüzü tam olarak anlayabilirsek, tersinir lityum anotların malzeme tasarımı ve üretimi için önemli rehberlik sağlayabilir” dedi. “Ancak bu arayüzü anlamak oldukça zor çünkü çok ince bir malzeme tabakası, sadece birkaç nanometre kalınlığında ve havaya ve neme duyarlı, bu nedenle numuneleri işlemek zor.”

Bu arayüz NSLS-II’de görselleştirilmiştir

Bu zorlukları çözmek ve arayüzün kimyasal bileşimini ve yapısını “görmek” için araştırmacılar, DOE Bilim Ofisi Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nın bir kullanıcı tesisi olan Ulusal Synchrotron Radyasyon Işık Kaynağı II’yi (NSLS-II) kullandılar. Atomik ölçekte arayüzün malzeme özelliklerini incelemek için süper parlak X-ışınları.

nSLS-II’nin gelişmiş yeteneklerini kullanmaya ek olarak, ekibin ayrıca arayüzün tüm bileşenlerini algılayabilen bir ışın hattı (deneysel istasyon) kullanması ve kristali algılamak için yüksek enerjili (kısa dalga boylu) X-ışınları kullanması gerekir. ve amorf evreler.

Araştırmacılar, “Kimya ekibi, ışın çizgisi, X-ışını kırınımı (XRD) ve dağıtım fonksiyonu (PDF) analizi tarafından sağlanan iki farklı tekniği kullanarak XPD çok modlu yaklaşımını benimsedi” dedi. “XRD kristal fazları inceleyebilir ve PDF amorf fazları inceleyebilir.”

XRD ve PDF analizi heyecan verici sonuçlar ortaya çıkardı: Arayüzde Lityum hidrit (LiH) var. Bilim adamları on yıllardır arayüzde LiH’nin varlığı hakkında tartışıyorlar ve arayüzü oluşturan temel reaksiyon mekanizması hakkında belirsizlik yaratıyorlar.

“LiH ve lityum florür (LiF) çok benzer kristal yapılara sahiptir. Araştırmacı, LiH’nin keşfiyle ilgili iddiamız, LiF’yi LiH ile karıştırdığımıza inanan bazı insanlar tarafından sorgulandı” dedi.

Çalışmada yer alan tartışmalar ve LiH’yi LiF’den ayırmanın teknik zorlukları göz önüne alındığında, araştırma ekibi, havaya maruz kalma deneyleri yapmak da dahil olmak üzere, LiH’nin varlığı için birden fazla kanıt sağlamaya karar verdi.

“Araştırmacılar şunları söyledi: “LiF havada kararlı, ancak LiH kararsız. Arabirimi nemli havaya maruz bırakırsak ve zamanla bileşik miktarı azalırsa, gerçekten LiF değil LiH gördüğümüzü ve bunun LiF olduğunu doğrulayabiliriz. LiH’yi LiF’den ayırmanın zorluğu ve havaya maruz kalma deneyi daha önce hiç yapılmadığından, LiH’nin birçok literatür raporunda LiF ile karıştırılması muhtemeldir veya nemli bir ortamda LiH ayrışması nedeniyle gözlenmez. ”

Araştırmacı devam etti. “PNNL tarafından yapılan numune hazırlama çalışması bu araştırma için kritik öneme sahiptir. Örnekleri deneyden önce nemli bir ortama maruz bırakıldığı için birçok kişinin LiH’yi tanımlayamadığından şüpheleniyoruz.” Numuneleri doğru bir şekilde toplamadıysanız, numuneleri ve Nakliye numunelerini mühürlemediyseniz, LiH’yi kaçırabilirsiniz. ”

Ekip, LiH’nin varlığını doğrulamanın yanı sıra, LiF’yi çevreleyen uzun süredir devam eden başka bir gizemi de çözdü. LiF, uzun zamandır arayüzün faydalı bir bileşeni olarak kabul edildi, ancak kimse nedenini tam olarak anlamıyor. Ekip, arayüz içindeki LiF’nin yapısal farklılıklarını ve LiF’nin yapısal farklılıklarının çoğunu belirledi ve ilkinin, anot ve katot arasında lityum iyonlarının taşınmasını desteklediğini buldu.

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı, diğer ulusal laboratuvarlar ve üniversitelerden pil bilimciler işbirliğine devam ediyor. Araştırmacılar, bu sonuçların lityum metal anotların geliştirilmesi için çok ihtiyaç duyulan pratik rehberlik sağlayacağını söyledi.