布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
電池研究人員(圖片來源:布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)
據(jù)外媒報(bào)道,美國(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)的一組研究人員確定了有關(guān)鋰金屬陽極電池內(nèi)部反應(yīng)機(jī)制的新細(xì)節(jié),該項(xiàng)研究結(jié)果是朝著研發(fā)出尺寸更小、重量更輕、更便宜的電動(dòng)汽車電池邁出的重要一步。
重造鋰金屬陽極
智能手機(jī)、電動(dòng)汽車等各種電子設(shè)備中都能找到傳統(tǒng)鋰離子電池,雖然鋰離子電池使很多技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,但其在為電動(dòng)汽車長(zhǎng)距離行駛提供動(dòng)力方面仍面臨著挑戰(zhàn)。
為了打造更適合電動(dòng)汽車的電池,美國(guó)DOE太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)牽頭的多個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及獲DOE資助的大學(xué)研究人員一起成立了一個(gè)名為Battery500的聯(lián)盟,目標(biāo)是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯,即能量密度是當(dāng)今最先進(jìn)電池的兩倍。為此,該聯(lián)盟正重點(diǎn)關(guān)注由鋰金屬陽極制成的電池。
與大多采用石墨為陽極的鋰離子電池相比,鋰金屬電池采用鋰金屬為陽極。研究人員表示:“鋰金屬陽極是滿足Battery500能量密度目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一,優(yōu)點(diǎn)在于其能量密度是現(xiàn)有電池的兩倍。其一,此種陽極的比容量很高;其二,可實(shí)現(xiàn)電壓更高的電池,二者結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。”
科學(xué)家們很早就認(rèn)識(shí)到了鋰金屬陽極的優(yōu)點(diǎn);事實(shí)上,鋰金屬陽極是首個(gè)與電池陰極耦合的陽極。但是由于此種陽極缺乏“可逆性”,即通過可逆電化學(xué)反應(yīng)充電的能力,電池研究人員最終用石墨陽極取代了鋰金屬陽極,打造了鋰離子電池。
現(xiàn)在,經(jīng)過幾十年的進(jìn)步,研究人員有信心實(shí)現(xiàn)可逆的鋰金屬陽極,以超越鋰離子電池的極限。關(guān)鍵在于界面,即電化學(xué)反應(yīng)過程中電池電極上形成的固體材料層。
研究人員表示:“如果我們能夠完全了解該種界面,就能夠?yàn)椴牧显O(shè)計(jì)和打造可逆的鋰金屬陽極提供重要指導(dǎo)。但是,了解該種界面是一項(xiàng)相當(dāng)大的挑戰(zhàn),因?yàn)槠涫且环N非常薄的材料層,只有幾納米厚,而且對(duì)空氣和濕度也很敏感,因此處理此種樣品非常棘手。”
在NSLS-II將此種界面實(shí)現(xiàn)可視化
為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),“看到”該界面的化學(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu),研究人員采用了布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室DOE科學(xué)辦公室的用戶設(shè)備——國(guó)家同步加速器光源II (NSLS-II),以產(chǎn)生超亮的X射線從原子尺度來研究該界面的材料特性。
除了利用NSLS-II的先進(jìn)能力之外,該研究小組還需要利用一個(gè)能夠探測(cè)該界面所有成分的波束線(實(shí)驗(yàn)站),用高能(短波長(zhǎng))X射線探測(cè)晶體相以及非晶相。該波束線即是X射線粉末衍射(XPD)的波束線。
研究人員表示:“化學(xué)團(tuán)隊(duì)采用了XPD的多模態(tài)方法,利用了波束線提供的兩種不同技術(shù),X射線衍射(XRD)和對(duì)分布函數(shù)(PDF)分析。XRD能夠研究晶體相,而PDF能夠研究非晶相。”
XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的結(jié)果:界面內(nèi)存在鋰氫化物(LiH)。幾十年來,科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論是否界面內(nèi)存在LiH,從而給形成界面的基本反應(yīng)機(jī)制造成了不確定性。
研究人員表示:“LiH和氟化鋰(LiF)有著非常相似的晶體結(jié)構(gòu),我們提出發(fā)現(xiàn)LiH的說法受到了一些人的質(zhì)疑,他們認(rèn)為我們錯(cuò)把LiF認(rèn)作了LiH。”
考慮到該項(xiàng)研究涉及的爭(zhēng)議,以及區(qū)分LiH與LiF所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),該研究小組決定為L(zhǎng)iH的存在提供多條證據(jù),包括進(jìn)行空氣暴露實(shí)驗(yàn)。
研究人員表示:“LiF在空氣中是穩(wěn)定的,LiH則不然。如果我們將該界面暴露在潮濕的空氣中,如果該化合物的含量隨著時(shí)間的推移而減少,就可以證實(shí)我們確實(shí)看到的是LiH,而不是LiF,而事實(shí)確實(shí)如此。由于很難區(qū)分LiH和LiF,而且之前從未進(jìn)行過空氣暴露實(shí)驗(yàn),在很多文獻(xiàn)報(bào)道中,是很有可能錯(cuò)把LiH認(rèn)作LiF,或者由于LiH在潮濕環(huán)境中的分解反應(yīng)而未被觀察到。”
研究人員繼續(xù)說道:“在PNNL完成的樣品制備工作對(duì)于該項(xiàng)研究至關(guān)重要,我們也懷疑很多人無法識(shí)別LiH是因?yàn)樗麄兊臉悠吩谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前就被暴露在潮濕的環(huán)境中。如果不收集樣品,密封樣品,正確運(yùn)輸樣品,可能就會(huì)錯(cuò)過LiH。”
除了確認(rèn)LiH的存在,該團(tuán)隊(duì)還解決了另一個(gè)圍繞LiF的長(zhǎng)期謎題。LiF一直被認(rèn)為是界面的有利成分,但是一直沒有人完全了解原因何在。該團(tuán)隊(duì)確定了界面內(nèi)LiF以及大部分LiF本身存在的結(jié)構(gòu)差異,發(fā)現(xiàn)前者可以促進(jìn)鋰離子在陽極和陰極之間傳輸。
目前,布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及各大學(xué)的電池研究科學(xué)家們還在繼續(xù)合作。研究人員表示,該項(xiàng)研究成果將能夠?yàn)殇嚱饘訇枠O提供急需的實(shí)用指導(dǎo),推動(dòng)此種有發(fā)展前景材料的研究向前發(fā)展。
(責(zé)任編輯:子蕊)