За повідомленнями іноземних ЗМІ, група дослідників Брукхейвенської національної лабораторії (Brookhaven National Laboratory) Міністерства енергетики США (DOE) визначила нові подробиці про механізм внутрішньої реакції літієво-металевих анодних батарей. , Важливий крок для здешевлення акумуляторів для електромобілів.

Дослідники батареї з Брукхейвенської національної лабораторії (Джерело зображення: Брукхейвенська національна лабораторія)

Відновлення літієвого анода

Від смартфонів до електромобілів, ми бачимо традицію. Хоча літієві батареї дозволили широко використовувати багато технологій, вони все ще стикаються з проблемами в забезпеченні електромобілів на великі відстані.

Battery500, альянс, очолюваний університетськими дослідниками, який фінансується Тихоокеанською північно-західною національною лабораторією (PNNL) Міністерства енергетики США та Міністерством енергетики США, має на меті створити акумуляторну батарею з щільністю енергії 500 Вт·год/кг. Іншими словами, це вдвічі більше щільності енергії, ніж найсучасніші батареї. З цією метою альянс зосереджується на батареях з металевих літієвих анодів.

Літієві металеві батареї використовують металевий літій як анод. Навпаки, більшість літієвих батарей використовують графіт як анод. «Літієвий анод є одним із ключових факторів у досягненні цілі щільності енергії Battery500», — сказали дослідники. «Перевага полягає в тому, що щільність енергії вдвічі вища, ніж у існуючих батарей. По-перше, питома ємність анода дуже висока; по-друге, ви можете мати батарею більш високої напруги, а їх комбінація може мати вищу щільність енергії».

Вчені давно визнали переваги літієвих анодів; насправді літієвий металевий анод є першим анодом, з’єднаним з катодом батареї. Однак через відсутність «оборотності» анода, тобто здатності заряджатися через оборотну електрохімічну реакцію, дослідники батареї в кінцевому підсумку використовували графітові аноди замість літієвих металевих анодів для виготовлення літієвих батарей.

Тепер, після десятиліть прогресу, дослідники впевнені, що реалізують реверсивний металевий літієвий анод, щоб розширити межі літієвих батарей. Ключовим є інтерфейс, шар твердого матеріалу, який утворюється на електродах батареї під час електрохімічної реакції.

«Якщо ми зможемо повністю зрозуміти цей інтерфейс, він може дати важливе керівництво для розробки матеріалів та виробництва реверсивних літієвих анодів», — сказали дослідники. «Але зрозуміти цей інтерфейс є досить складним завданням, оскільки це дуже тонкий шар матеріалу, товщина всього кілька нанометрів, і він чутливий до повітря та вологості, тому поводитися зі зразками складно».

Цей інтерфейс візуалізується в NSLS-II

Щоб вирішити ці проблеми та «побачити» хімічний склад і структуру інтерфейсу, дослідники використали National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), користувальницький центр наукового офісу DOE Брукхейвенської національної лабораторії, який виробляє надяскраві рентгенівські промені для вивчення властивостей матеріалу межі розділу в атомному масштабі.

На додаток до використання розширених можливостей nSLS-II, команді також потрібно використовувати променеву лінію (експериментальну станцію), яка може виявляти всі компоненти інтерфейсу, і використовувати високоенергетичні (короткохвильові) рентгенівські промені для виявлення кристалічних та аморфні фази.

«Команда з хімії прийняла багаторежимний підхід XPD, використовуючи дві різні методики, надані шляхом аналізу лінії променів, дифракції рентгенівських променів (XRD) і функції розподілу (PDF), — сказали дослідники. «XRD може вивчати кристалічні фази, а PDF може вивчати аморфні фази».

Аналіз XRD і PDF показав захоплюючі результати: гідрид літію (LiH) існує в інтерфейсі. Протягом десятиліть вчені сперечаються про існування LiH в інтерфейсі, створюючи невизначеність щодо основного механізму реакції, який формує інтерфейс.

«LiH і фторид літію (LiF) мають дуже схожі кристалічні структури. Нашу заяву про відкриття LiH поставили під сумнів деякі люди, які вважають, що ми помилково приймаємо LiF за LiH», – сказав дослідник.

З огляду на суперечки, пов’язані з дослідженням, і технічні проблеми, пов’язані з відмінністю LiH від LiF, дослідницька група вирішила надати численні докази існування LiH, включаючи проведення експериментів із впливом повітря.

«Дослідники сказали: «LiF стабільний у повітрі, але LiH нестабільний. Якщо ми піддаємо поверхню розділу впливу вологого повітря, і якщо кількість сполуки з часом зменшується, ми можемо підтвердити, що ми дійсно бачимо LiH, а не LiF, і це LiF. Через труднощі відрізнити LiH від LiF і експеримент з впливом повітря ніколи раніше не проводився, LiH, швидше за все, буде помилково прийнятий за LiF у багатьох літературних звітах, або він не спостерігається через розкладання LiH у вологому середовищі. ”

— продовжив дослідник. «Робота з підготовки зразків, проведена PNNL, має вирішальне значення для цього дослідження. Ми підозрюємо, що багато людей не можуть ідентифікувати LiH, оскільки їх зразки піддавалися впливу вологого середовища перед експериментом». Якщо ви не правильно зібрали зразки, не запечатали зразки та зразки для доставки, ви можете пропустити LiH. ”

Окрім підтвердження існування LiH, команда також розгадала ще одну давню таємницю навколо LiF. LiF довгий час вважався корисним компонентом інтерфейсу, але ніхто до кінця не розуміє причину. Команда визначила структурні відмінності LiF всередині межі розділу і більшість структурних відмінностей самого LiF і виявила, що перший сприяє транспорту іонів літію між анодом і катодом.

Вчені з батареї з Брукхейвенської національної лабораторії, інших національних лабораторій та університетів продовжують співпрацю. Дослідники сказали, що ці результати дадуть дуже необхідні практичні вказівки для розробки металевих літієвих анодів.