化學(xué)家領(lǐng)導的一組研究人員在美國能源部(DOE)布魯克海文國家實(shí)驗室已經(jīng)確定了新的細節的反應機理與金屬鋰電池陽(yáng)極。 研究結果,發(fā)表在今天自然納米技術(shù),是一個(gè)主要的一步發(fā)展中更小,更輕,更便宜的電動(dòng)汽車(chē)電池。
傳統的鋰離子電池中可以找到各種各樣的電子產(chǎn)品,從智能手機到電動(dòng)汽車(chē)。 雖然鋰離子電池的廣泛使用使得許多技術(shù),他們仍然在長(cháng)距離驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)面臨挑戰。
建立一個(gè)電池更適合電動(dòng)汽車(chē),研究人員在幾個(gè)國家實(shí)驗室和DOE-sponsored大學(xué)成立了一個(gè)叫做Battery500財團,由美國能源部的太平洋西北國家實(shí)驗室(PNNL)。 他們的目標是使電池的能量密度每公斤500瓦特時(shí),這比今天的先進(jìn)的電池的能量密度的兩倍。 為此,該財團是專(zhuān)注于電池用鋰金屬陽(yáng)極。
和鋰離子電池相比,最常使用石墨陽(yáng)極,鋰金屬電池使用金屬鋰作為陽(yáng)極。
“鋰金屬陽(yáng)極是一個(gè)關(guān)鍵的組件來(lái)滿(mǎn)足能量密度由Battery500尋求,“胡布魯克海文國家實(shí)驗室的化學(xué)家Enyuan說(shuō),這項研究的主要作者。 “他們的優(yōu)勢是雙重的。 首先,他們的特殊能力是非常高的; 其次,他們提供了一個(gè)高電壓電池。 結合會(huì )導致更大的能量密度?！?/span>
科學(xué)家們早就認識到金屬鋰陽(yáng)極的優(yōu)點(diǎn); 事實(shí)上,他們是第一批加上陰極陽(yáng)極。 但由于缺乏“可逆性”,能夠通過(guò)可逆的電化學(xué)反應,充電電池社區最終取代鋰金屬電極與石墨陽(yáng)極,形成鋰離子電池。
現在,隨著(zhù)幾十年的進(jìn)展,研究人員有信心他們能使金屬鋰陽(yáng)極可逆的,超過(guò)了鋰離子電池的極限。 關(guān)鍵是間期,固體材料層形成在電池的電極上的電化學(xué)反應。
“如果我們能夠充分理解間期,我們可以提供重要的指導材料設計和制造金屬鋰陽(yáng)極可逆,”胡錦濤說(shuō)。 “但理解間期是一個(gè)相當大的挑戰,因為這是一個(gè)非常薄層厚度只有幾個(gè)納米。 也非常敏感,空氣和水分,使樣品處理非常棘手?！?/span>
應對這些挑戰和“看到”相間的化學(xué)組成和結構,研究人員轉向全國同步光源II (NSLS-II),美國能源部科學(xué)辦公室用戶(hù)設施布魯克海文產(chǎn)生ultrabright x射線(xiàn)在原子尺度研究材料特性。
“NSLS-II的高通量讓我們看一個(gè)小數量的樣品,仍然產(chǎn)生非常高質(zhì)量的數據,”胡錦濤說(shuō)。
超出了NSLS-II的高級功能作為一個(gè)整體,研究團隊需要使用beamline(試驗站)能夠探測相間的所有組件,包括結晶和無(wú)定形的階段,高能x射線(xiàn)波長(cháng)(短)。 beamline是x射線(xiàn)粉末衍射(XPD) beamline。
“化學(xué)團隊在XPD利用多通道的方法,使用beamline提供的兩種不同的技術(shù),x射線(xiàn)衍射(XRD)和對分布函數(PDF)分析,“說(shuō)Sanjit Ghose用鉛XPD beamline科學(xué)家。 “XRD研究結晶相,而PDF可以研究非晶相?！?/span>
XRD和PDF格式的分析揭示了令人興奮的結果:氫化鋰的存在(LiH)間期。 幾十年來(lái),科學(xué)家們爭論如果LiH存在于間期,使得不確定性的基本反應機理,形成了相間。
“當我們第一次看到LiH的存在,我們很興奮,因為這是第一次LiH被證明存在于間期使用技術(shù)和統計的可靠性。 但我們也謹慎,因為人們一直懷疑這很長(cháng)一段時(shí)間,”胡錦濤說(shuō)。
合著(zhù)者Xiao-Qing楊,布魯克海文國家實(shí)驗室的物理學(xué)家化學(xué)部門(mén),補充道,“LiH和氟化鋰(生活)晶體結構非常相似。 LiH索賠可能已經(jīng)被人認為挑戰我們誤認為生活典范”。
鑒于這項研究周?chē)臓幾h,以及差異化的技術(shù)挑戰LiH來(lái)自生活,研究小組決定提供多個(gè)行LiH存在的證據,其中包括一個(gè)空氣暴露實(shí)驗。
“生活空氣穩定,而LiH不是,”楊說(shuō)。 “如果我們接觸空氣和水分的間期,如果要探測的化合物的量下降隨著(zhù)時(shí)間的推移,這將證實(shí)我們確實(shí)看到LiH,不是生活。 究竟發(fā)生了什么。 因為L(cháng)iH和生活是難以區分和空氣接觸實(shí)驗從未執行過(guò),很可能LiH被誤判為生活,是否觀(guān)察到由于LiH的分解反應和水分,在許多文獻報道?！?/span>
楊繼續說(shuō)道,“在太平洋西北國家實(shí)驗室完成樣品制備是這項工作的關(guān)鍵。 我們也懷疑,很多人不能識別LiH因為他們之前已經(jīng)接觸到水分試驗樣品。 如果你不收集樣本,密封,和運輸它正確,你錯過(guò)了?！?/span>
除了識別LiH的存在,團隊還解決了另一個(gè)長(cháng)期存在的難題集中在生活。 生活一直被認為是一個(gè)支持組件間期,但它不是完全理解為什么。 團隊確定結構差異大部分生活在間期和生活之間,前者促進(jìn)鋰離子陽(yáng)極和陰極之間的運輸。
“從樣品制備、數據分析,我們與太平洋西北國家實(shí)驗室密切合作,美國陸軍研究實(shí)驗室和馬里蘭大學(xué)的,“說(shuō)布魯克海文國家實(shí)驗室的化學(xué)家Zulipiya Shadike,這項研究的第一作者。 “作為一個(gè)年輕的科學(xué)家,我學(xué)到了很多關(guān)于進(jìn)行實(shí)驗,與其他團隊溝通,特別是因為這是這樣一個(gè)具有挑戰性的話(huà)題?！?/span>
胡補充說(shuō),“這項工作成為可能通過(guò)結合青年科學(xué)家的雄心,智慧的高級科學(xué)家,和團隊的耐心和韌性?！?/span>
以外的機構之間的團隊合作,和布魯克海文實(shí)驗室的化學(xué)部門(mén)之間的團隊合作NSLS-II將繼續推動(dòng)新的研究成果和能力。
“電池集團在化學(xué)部門(mén)工作在電池領(lǐng)域的各種各樣的問(wèn)題。 他們工作與陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì),和他們繼續把XPD新問(wèn)題解決和挑戰性的樣本來(lái)研究,”Ghose用說(shuō)。 “這是令人興奮的,但它也幫助我開(kāi)發(fā)方法為其他研究人員使用beamline。 目前,我們正在開(kāi)發(fā)能力原位和operando實(shí)驗運行,所以研究人員可以用更高的空間分辨率掃描整個(gè)電池作為電池循環(huán)?！?/span>
科學(xué)家們繼續合作在布魯克海文實(shí)驗室電池研究部門(mén),其他國家實(shí)驗室和大學(xué)。 他們說(shuō),這項研究的結果將對鋰金屬陽(yáng)極提供急需的實(shí)用指導,推動(dòng)研究這個(gè)有前途的材料。