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探索与发现有利于产品研发更小、更轻、更低的汽车电瓶

探索与发现有利于产品研发更小、更轻、更低的汽车电瓶

来源:
2021/12/22 09:06
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【摘要】:

  )据国外媒体报道,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(BrookhavenNationalLaboratory)的一组研究人员确定了有关锂金属阳极电池内部反应机制的新细节,该成果是向开发更小、更轻、更便宜的电动汽车电池迈出的重要一步。

  布鲁克海文国家实验室的电池研究人员(图片来源:布鲁克海文国家实验室)

  锂阳极的再制造

  从智能手机到电动汽车,都可以看到传统,虽然锂电池使许多技术得到了广泛的应用,但在为电动汽车提供长距离动力方面仍然面临挑战。

  Battery500,一个由美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)和美国能源部资助的大学研究人员领导的联盟,旨在创造一种能量密度为500Wh/kg的电池单元。也就是说,是当今最先进电池能量密度的两倍。为此,该联盟专注于由锂金属阳极制成的电池。

  锂金属电池使用锂金属作为阳极,相比之下,锂电池大多使用石墨作为阳极。"锂阳极是达到Battery500能量密度目标的关键因素之一,"研究人员说。"优点是能量密度是现有电池的两倍。首先,阳极的比容量非常高;其次,你可以有更高的电压电池,两者结合起来可以有更高的能量密度。"

  科学家们早就认识到了锂阳极的优势;事实上,锂金属阳极是第一个与电池阴极耦合的阳极。但由于阳极缺乏 "可逆性",即通过可逆的电化学反应进行充电的能力,电池研究人员最终用石墨阳极而不是锂金属阳极制造了锂电池。

  现在,经过几十年的进展,研究人员有信心实现可逆的锂金属阳极,以推动锂电池的极限。关键是界面,即在电化学反应期间在电池的电极上形成的固体材料层。

  "如果我们能完全理解这个界面,它可以为可逆锂阳极的材料设计和制造提供重要指导,"研究人员说。"但是理解这个界面是一个相当大的挑战,因为它是一个非常薄的材料层,只有几纳米厚,而且它对空气和湿度很敏感,所以处理样品很棘手。"

  这个界面在NSLS-II中是可视化的

  为了解决这些挑战并 "看到 "界面的化学成分和结构,研究人员采用了国家同步辐射光源II(NSLS-II),这是布鲁克海文国家实验室DOE科学办公室的一个用户设施,产生超亮的X射线,在原子尺度上研究界面的材料特性。

  除了利用nSLS-II的先进能力外,该团队还需要利用能够检测界面所有成分的光束线(实验站),用高能(短波长)X射线检测结晶和非结晶相。

  "化学团队采用了XPD的多模式方法,利用光束线提供的两种不同技术,X射线衍射(XRD)和分布函数(PDF)的分析,"研究人员说。"XRD能够研究结晶相,PDF能够研究非结晶相。"

  XRD和PDF分析揭示了令人兴奋的结果:氢化锂(LiH)存在于界面中。几十年来,科学家们一直在争论LiH在界面中的存在,对形成界面的基本反应机制产生了不确定性。

  "LiH和氟化锂(LiF)具有非常相似的晶体结构,我们关于发现LiH的说法受到了一些人的质疑,他们认为我们把LiF误认为是LiH,"研究人员说。

  鉴于该研究涉及的争议以及区分LiH和LiF的技术挑战,该研究小组决定为LiH的存在提供多条证据,包括进行空气暴露实验。

  "研究人员说:"LiF在空气中是稳定的,而LiH则不稳定。如果我们将界面暴露在潮湿的空气中,并且如果化合物的数量随着时间的推移而减少,我们可以确认我们确实看到的是LiH,而不是LiF,它就是LiF。由于区分LiH和LiF的困难以及空气暴露实验以前从未进行过,LiH极有可能在许多文献报告中被误认为是LiF,或者由于LiH在潮湿环境中的分解而没有被观察到。"

  研究人员继续说道。"PNNL所做的样品准备工作对这项研究至关重要,我们怀疑许多人未能识别LiH是因为他们的样品在实验前暴露在潮湿环境中。"如果你没有正确地收集样品、密封样品和运送样品,你可能会错过LiH。"

  除了确认LiH的存在,该团队还解决了围绕LiF的另一个长期存在的谜团。LiF长期以来被认为是界面的有益成分,但没有人完全理解其原因。该团队确定了界面内LiF的结构差异,以及大部分LiF本身的结构差异,并发现前者促进了锂离子在阳极和阴极间的传输。

  布鲁克海文国家实验室、其他国家实验室和大学的电池科学家们继续进行合作。研究人员说,这些结果将为锂金属阳极的发展提供急需的实际指导。

 

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