據外媒報導，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的一組研究人員確定了鋰金屬負極電池內部反應機理的新細節。 , 電動汽車電池更便宜的重要一步。

布魯克海文國家實驗室的電池研究人員（圖片來源：布魯克海文國家實驗室）

鋰負極再製造

從智能手機到電動汽車，我們都能看到傳統。 鋰電池雖然讓很多技術得到廣泛應用，但在為電動汽車提供遠距離動力方面仍面臨挑戰。

Battery500 是由美國能源部太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 和美國能源部資助的大學研究人員領導的聯盟，旨在製造能量密度為 500Wh/kg 的電池。 換句話說，它是當今最先進電池能量密度的兩倍。 為此，該聯盟專注於由鋰金屬陽極製成的電池。

鋰金屬電池使用鋰金屬作為陽極。 相比之下，大多數鋰電池使用石墨作為陽極。 “鋰負極是達到 Battery500 能量密度目標的關鍵因素之一，”研究人員說。 “優點是能量密度是現有電池的兩倍。 首先，陽極的比容量非常高； 其次，你可以擁有更高電壓的電池，兩者結合可以擁有更高的能量密度。”

科學家們早就認識到鋰負極的優勢； 事實上，鋰金屬陽極是與電池陰極連接的第一個陽極。 然而，由於負極缺乏“可逆性”，即通過可逆電化學反應充電的能力，電池研究人員最終使用石墨負極代替鋰金屬負極來製造鋰電池。

現在，經過幾十年的進步，研究人員有信心實現可逆的鋰金屬負極，以突破鋰電池的極限。 關鍵是界面，即電化學反應過程中在電池電極上形成的固體材料層。

研究人員說：“如果我們能夠完全理解這個界面，它可以為可逆鋰負極的材料設計和製造提供重要指導。” “但理解這個界面是一個相當大的挑戰，因為它是一層非常薄的材料，只有幾納米厚，而且它對空氣和濕度很敏感，因此處理樣品很棘手。”

該界面在 NSLS-II 中可視化

為了解決這些挑戰並“看到”界面的化學成分和結構，研究人員使用了國家同步輻射光源 II (NSLS-II)，這是布魯克海文國家實驗室 DOE 科學辦公室的一個用戶設施，它產生超亮 X 射線以在原子尺度上研究界面的材料特性。

除了使用 nSLS-II 的先進能力外，該團隊還需要使用可以檢測界面所有成分的光束線（實驗站），並使用高能（短波）X 射線來檢測晶體和非晶相。

“化學團隊採用了 XPD 多模式方法，使用光束線提供的兩種不同技術，X 射線衍射 (XRD) 和分佈函數 (PDF) 分析，”研究人員說。 “XRD 可以研究結晶相，PDF 可以研究非晶相。”

XRD 和 PDF 分析揭示了令人興奮的結果：界面中存在氫化鋰 (LiH)。 幾十年來，科學家們一直在爭論界面中 LiH 的存在，從而對形成界面的基本反應機制產生了不確定性。

“LiH 和氟化鋰 (LiF) 具有非常相似的晶體結構。 我們關於發現 LiH 的說法受到了一些人的質疑，他們認為我們將 LiF 誤認為是 LiH，”研究人員說。

鑑於研究中涉及的爭議以及區分 LiH 與 LiF 的技術挑戰，研究團隊決定提供多條證據證明 LiH 的存在，包括進行空氣暴露實驗。

研究人員表示：“LiF 在空氣中穩定，但 LiH 不穩定。 如果我們將界面暴露在潮濕的空氣中，並且如果化合物的量隨著時間的推移而減少，我們可以確認我們確實看到的是 LiH，而不是 LiF，而是 LiF。 由於 LiH 和 LiF 難以區分，且以前從未進行過空氣暴露實驗，因此在許多文獻報導中，LiH 最有可能被誤認為是 LiF，或者由於 LiH 在潮濕環境中分解而未觀察到。 ”

研究員繼續說道。 “PNNL 完成的樣品製備工作對這項研究至關重要。 我們懷疑許多人未能識別出鋰離子，因為他們的樣品在實驗前暴露在潮濕的環境中。” 如果您沒有正確收集樣品，密封樣品和運輸樣品，您可能會錯過 LiH。 ”

除了確認 LiH 的存在，該團隊還解開了圍繞 LiF 的另一個長期謎團。 LiF 長期以來一直被認為是界面的一個有益組件，但沒有人完全理解其中的原因。 該團隊確定了界面內 LiF 的結構差異和 LiF 本身的大部分結構差異，發現前者促進了正極和正極之間鋰離子的傳輸。

布魯克海文國家實驗室、其他國家實驗室和大學的電池科學家繼續合作。 研究人員表示，這些結果將為鋰金屬負極的開發提供急需的實踐指導。