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美國新發現有助于研發更小、更輕、更便宜的汽車電池

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年05月14日  

據外媒報道,美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室(BrookhavenNationalLaboratory)的一組研究人員確定了有關鋰金屬陽極電池內部反應機制的新細節,該項研究結果是朝著研發出尺寸更小、重量更輕、更便宜的電動汽車電池邁出的重要一步。


布魯克海文國家實驗室電池研究人員


(圖片來源:布魯克海文國家實驗室)


重造鋰金屬陽極


智能手機、電動汽車等各種電子設備中都能找到傳統鋰離子電池,雖然鋰離子電池使很多技術得到了廣泛應用,但其在為電動汽車長距離行駛供應動力方面仍面對著挑戰。


為了打造更適合電動汽車的電池,美國DOE太平洋西北國家實驗室(PNNL)牽頭的多個美國國家實驗室以及獲DOE資助的大學研究人員一起成立了一個名為Battery500的聯盟,目標是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯,即能量密度是當今最先進電池的兩倍。為此,該聯盟正重點關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能量密度目標的關鍵因素之一,優點在于其能量密度是現有電池的兩倍。其一,此種陽極的比容量很高;其二,可實現電壓更高的電池,二者結合就可以實現更高的能量密度。”


科學家們很早就認識到了鋰金屬陽極的優點;事實上,鋰金屬陽極是首個與電池陰極耦合的陽極。但是由于此種陽極缺乏“可逆性”,即通過可逆電化學反應充電的能力,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。


現在,經過幾十年的進步,研究人員有信心實現可逆的鋰金屬陽極,以超越鋰離子電池的極限。關鍵在于界面,即電化學反應過程中電池電極上形成的固體材料層。


研究人員表示:“假如我們能夠完全了解該種界面,就能夠為材料設計和打造可逆的鋰金屬陽極供應重要指導。但是,了解該種界面是一項相當大的挑戰,因為其是一種非常薄的材料層,只有幾納米厚,而且對空氣和濕度也很敏感,因此處理此種樣品非常棘手。”


在NSLS-II將此種界面實現可視化


為了應對上述挑戰,“看到”該界面的化學構成和結構,研究人員采用了布魯克海文國家實驗室DOE科學辦公室的用戶設備——國家同步加速器光源II(NSLS-II),以出現超亮的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的先進能力之外,該研究小組還要利用一個能夠探測該界面所有成分的波束線(實驗站),用高能(短波長)X射線探測晶體相以及非晶相。該波束線即是X射線粉末衍射(XPD)的波束線。


研究人員表示:“化學團隊采用了XPD的多模態方法,利用了波束線供應的兩種不同技術,X射線衍射(XRD)和對分布函數(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果:界面內存在鋰氫化物(LiH)。幾十年來,科學家們一直在爭論是否界面內存在LiH,從而給形成界面的基本反應機制造成了不確定性。


研究人員表示:“LiH和氟化鋰(LiF)有著非常相似的晶體結構,我們提出發現LiH的說法受到了一些人的質疑,他們認為我們錯把LiF認作了LiH。”


考慮到該項研究涉及的爭議,以及區分LiH與LiF所面對的技術挑戰,該研究小組決定為LiH的存在供應多條證據,包括進行空氣暴露實驗。


研究人員表示:“LiF在空氣中是穩定的,LiH則不然。假如我們將該界面暴露在潮濕的空氣中,假如該化合物的含量隨著時間的推移而減少,就可以證實我們確實看到的是LiH,而不是LiF,而事實確實如此。由于很難區分LiH和LiF,而且之前從未進行過空氣暴露實驗,在很多文獻報道中,是很有可能錯把LiH認作LiF,或者由于LiH在潮濕環境中的分解反應而未被觀察到。”


研究人員繼續說道:“在PNNL完成的樣品制備工作有關該項研究至關重要,我們也懷疑很多人無法識別LiH是因為他們的樣品在進行實驗之前就被暴露在潮濕的環境中。假如不收集樣品,密封樣品,正確運輸樣品,可能就會錯過LiH。”


除了確認LiH的存在,該團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期謎題。LiF一直被認為是界面的有利成分,但是一直沒有人完全了解原因何在。該團隊確定了界面內LiF以及大部分LiF本身存在的結構差異,發現前者可以促進鋰離子在陽極和陰極之間傳輸。


目前,布魯克海文國家實驗室、其他國家實驗室以及各大學的電池研究科學家們還在繼續合作。研究人員表示,該項研究成果將能夠為鋰金屬陽極供應急需的實用指導,推動此種有發展前景材料的研究向前發展。


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