由美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的化學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的一組研究人員確定了具有鋰金屬陽極的電池中發(fā)生的反應(yīng)機理的新細節(jié)。

該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然納米技術(shù)》（“鋰金屬陽極的固態(tài)-電解質(zhì)中間相中的LiH和納米晶LiF的鑒定”）上，是朝著開發(fā)更小、更輕、更便宜的電動汽車電池邁出的重要一步。

重建鋰金屬陽極

常規(guī)的鋰離子電池可以在從智能手機到電動汽車的各種電子產(chǎn)品中找到。盡管鋰離子電池已使許多技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，但它們?nèi)悦媾R著向長距離電動汽車供電的挑戰(zhàn)。

為了制造出更適合電動汽車的電池，來自多個國家實驗室和美國能源部資助的大學(xué)的研究人員組成了一個名為Battery500的聯(lián)盟，該聯(lián)盟由美國能源部的太平洋西北國家實驗室（PNNL）領(lǐng)導(dǎo)。他們的目標是制造能量密度為500瓦時/千克的電池，是當今最先進電池的能量密度的兩倍以上。為此，該財團將重點放在由鋰金屬陽極制成的電池上。

與最經(jīng)常使用石墨作為陽極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池使用鋰金屬作為陽極。

這項研究的主要作者布魯克海文化學(xué)家胡恩元說：“鋰金屬陽極是實現(xiàn)Battery500所追求的能量密度的關(guān)鍵組件之一。”“它們的優(yōu)點是雙重的。首先，它們的比容量非常高；其次，它們提供了更高電壓的電池。這種結(jié)合導(dǎo)致更大的能量密度。”

布魯克海文化學(xué)家EnyuanHu（左，第一作者）和ZulipiyaShadike（右，第一作者）被證明具有1,2-二甲氧基乙烷的模型，該模型是鋰金屬電池電解質(zhì)的溶劑。

長期以來，科學(xué)家已經(jīng)認識到鋰金屬陽極的優(yōu)勢。實際上，它們是第一個與陰極耦合的陽極。但是由于缺乏“可逆性”，即通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)進行充電的能力，電池社區(qū)最終用石墨陽極代替了鋰金屬陽極，從而制成了鋰離子電池。

如今，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，研究人員相信他們可以使鋰金屬陽極可逆，超越鋰離子電池的極限。關(guān)鍵是中間相，即電化學(xué)反應(yīng)期間在電池電極上形成的固態(tài)材料層。

胡錦濤說：“如果我們能夠充分理解相間關(guān)系，我們將為材料設(shè)計提供重要指導(dǎo)，并使鋰金屬陽極具有可逆性。”“但是要了解中間相是一個很大的挑戰(zhàn)，因為它是一個非常薄的層，厚度只有幾納米。它對空氣和濕氣也非常敏感，使得樣品處理非常棘手。”

可視化NSLS-II的相間

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并“看到”中間相的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，研究人員轉(zhuǎn)向了國家同步加速器光源II（NSLS-II），這是位于布魯克黑文的美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，可產(chǎn)生超亮X射線用于研究原子尺度的材料特性。

胡說：“NSLS-II的高通量使我們能夠觀察極少量的樣品，并且仍能產(chǎn)生非常高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。”

除了整個NSLS-II的先進功能外，研究團隊還需要使用光束線（實驗臺），該光束線能夠以高能量（短波長）x探測相的所有成分，包括晶相和非晶相。-射線。該光束線是X射線粉末衍射（XPD）光束線。

XPD首席束線科學(xué)家SanjitGhose表示：“化學(xué)團隊利用XPD的多峰方法，使用了束線提供的兩種不同技術(shù)，即X射線衍射（XRD）和成對分布函數(shù)（PDF）分析。”“XRD可以研究結(jié)晶相，而PDF可以研究非晶相。”

XRD和PDF分析揭示了令人振奮的結(jié)果：相間存在氫化鋰（LiH）。幾十年來，科學(xué)家一直在爭論LiH是否存在于中間相中，從而在形成中間相的基本反應(yīng)機理周圍留下了不確定性。

“當我們第一次看到LiH的存在時，我們感到非常興奮，因為這是第一次使用具有統(tǒng)計可靠性的技術(shù)證明LiH存在于相間。但是我們也保持謹慎，因為人們一直對此持懷疑態(tài)度。”，胡說。

布魯克海文化學(xué)系物理學(xué)家楊曉慶的合著者補充說：“LiH和氟化鋰（LiF）具有非常相似的晶體結(jié)構(gòu)。我們認為LiH可能受到那些認為我們誤認為LiF為LiH的人的質(zhì)疑。”

考慮到圍繞這項研究的爭議，以及將LiH與LiF區(qū)別開來的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究小組決定提供有關(guān)LiH存在的多種證據(jù)，包括空氣暴露實驗。

楊說：“LiF空氣穩(wěn)定，而LiH不穩(wěn)定。”“如果我們將中間相暴露在潮濕的空氣中，并且隨著時間的推移，所探測化合物的數(shù)量減少，那將證實我們確實看到了LiH，而不是LiF。而這正是發(fā)生的情況。因為LiH和LiF難以區(qū)分和在以前從未進行過空氣暴露實驗的情況下，許多文獻報道很可能將LiH誤認為是LiF，或者由于LiH與水分的分解反應(yīng)而沒有觀察到。”

Yang繼續(xù)說道：“在PNNL進行的樣品制備對這項工作至關(guān)重要。我們還懷疑許多人無法識別LiH，因為他們的樣品在實驗之前就已經(jīng)暴露在濕氣中。如果您不收集樣品，則將其密封，并正確運輸它，您會錯過機會。”

除了確定LiH的存在之外，團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期難題。LiF被認為是中間相中的首選成分，但尚未完全理解為什么。研究小組確定了相間LiF和本體LiF之間的結(jié)構(gòu)差異，前者促進了鋰離子在陽極和陰極之間的傳輸。

該研究的第一作者布魯克海文化學(xué)家祖利皮婭·沙迪克說：“從樣品制備到數(shù)據(jù)分析，我們與PNNL，美國陸軍研究實驗室和馬里蘭大學(xué)密切合作。”“作為一名年輕的科學(xué)家，我學(xué)到了很多有關(guān)進行實驗和與其他團隊交流的知識，特別是因為這是一個具有挑戰(zhàn)性的話題。”

胡錦濤補充說：“通過結(jié)合年輕科學(xué)家的野心，高級科學(xué)家的智慧以及團隊的耐心和韌性，這項工作才得以實現(xiàn)。”

除機構(gòu)之間的團隊合作外，布魯克海文實驗室化學(xué)部門與NSLS-II之間的團隊合作繼續(xù)推動新的研究結(jié)果和能力。

Ghose說：“化學(xué)部門的電池組致力于解決電池領(lǐng)域中的各種問題。他們與陰極，陽極和電解質(zhì)一起工作，并且繼續(xù)帶來XPD新問題來解決和挑戰(zhàn)研究的樣品。”“這很令人興奮，但是它也幫助我開發(fā)了供其他研究人員在我的光束線上使用的方法。目前，我們正在開發(fā)原位運行和操作實驗的功能，以便研究人員可以更高的空間分辨率掃描整個電池因為電池正在循環(huán)。”

科學(xué)家們將繼續(xù)在布魯克黑文實驗室部門，其他國家實驗室和大學(xué)之間進行電池研究。他們說，這項研究的結(jié)果將為鋰金屬陽極提供急需的實用指導(dǎo)，從而推動對該有前途的材料的研究。