Een team van onderzoekers onder leiding van chemici van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft nieuwe details geïdentificeerd van het reactiemechanisme dat plaatsvindt in batterijen met lithiummetaalanoden. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , zijn een grote stap in de richting van de ontwikkeling van kleinere, aansteker, en goedkopere batterijen voor elektrische voertuigen.

Lithium-metaalanoden opnieuw maken

Conventionele lithium-ionbatterijen zijn te vinden in een verscheidenheid aan elektronica, van smartphones tot elektrische voertuigen. Hoewel lithium-ionbatterijen het wijdverbreide gebruik van veel technologieën mogelijk hebben gemaakt, ze staan ​​nog steeds voor uitdagingen bij het aandrijven van elektrische voertuigen over lange afstanden.

Om een ​​batterij te bouwen die beter geschikt is voor elektrische voertuigen, onderzoekers van verschillende nationale laboratoria en door DOE gesponsorde universiteiten hebben een consortium gevormd met de naam Battery500, geleid door DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Hun doel is om batterijcellen te maken met een energiedichtheid van 500 wattuur per kilogram, dat is meer dan het dubbele van de energiedichtheid van de huidige ultramoderne batterijen. Om dit te doen, het consortium richt zich op batterijen gemaakt met lithiummetaalanoden.

In vergelijking met lithium-ionbatterijen, die meestal grafiet als anode gebruiken, lithium-metaalbatterijen gebruiken lithiummetaal als anode.

"Lithiummetaalanoden zijn een van de belangrijkste componenten om te voldoen aan de energiedichtheid waarnaar Battery500 streeft, " zei Brookhaven-chemicus Enyuan Hu, hoofdauteur van de studie. "Hun voordeel is tweeledig. Ten eerste, hun specifieke capaciteit is zeer hoog; tweede, ze bieden een batterij met een iets hoger voltage. De combinatie leidt tot een grotere energiedichtheid."

Wetenschappers hebben de voordelen van lithiummetaalanoden al lang erkend; in feite, ze waren de eerste anode die werd gekoppeld aan een kathode. Maar vanwege hun gebrek aan "omkeerbaarheid, " het vermogen om te worden opgeladen door een omkeerbare elektrochemische reactie, de batterijgemeenschap heeft uiteindelijk lithiummetaalanoden vervangen door grafietanodes, het maken van lithium-ionbatterijen.

Nutsvoorzieningen, met tientallen jaren van vooruitgang, onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze lithiummetaalanoden omkeerbaar kunnen maken, overtreft de grenzen van lithium-ionbatterijen. De sleutel is de interfase, een vaste materiaallaag die zich tijdens de elektrochemische reactie op de elektrode van de batterij vormt.

"Als we de interfase volledig kunnen begrijpen, we kunnen belangrijke richtlijnen geven voor materiaalontwerp en lithiummetaalanoden omkeerbaar maken, Hu zei. "Maar het begrijpen van de interfase is een hele uitdaging omdat het een heel dunne laag is met een dikte van slechts enkele nanometers. Het is ook erg gevoelig voor lucht en vocht, waardoor het hanteren van monsters erg lastig is."

Visualisatie van de interfase bij NSLS-II

Om door deze uitdagingen te navigeren en de chemische samenstelling en structuur van de interfase te 'zien', de onderzoekers wendden zich tot de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven die ultraheldere röntgenstralen genereert voor het bestuderen van materiaaleigenschappen op atomaire schaal.

"De hoge flux van NSLS-II stelt ons in staat om naar een zeer kleine hoeveelheid van het monster te kijken en toch gegevens van zeer hoge kwaliteit te genereren, " zei Hu.

Naast de geavanceerde mogelijkheden van NSLS-II als geheel, het onderzoeksteam moest een bundellijn (experimenteel station) gebruiken die in staat was om alle componenten van de interfase te onderzoeken, inclusief kristallijne en amorfe fasen, met hoge energie (korte golflengte) röntgenstralen. Die bundellijn was de röntgenpoederdiffractie (XPD) bundellijn.

"Het chemieteam profiteerde van een multimodale aanpak bij XPD, met behulp van twee verschillende technieken aangeboden door de bundellijn, Röntgendiffractie (XRD) en paarverdelingsfunctie (PDF) analyse, " zei Sanjit Ghose, hoofdbundellijnwetenschapper bij XPD. "XRD kan de kristallijne fase bestuderen, terwijl PDF de amorfe fase kan bestuderen."

De XRD- en PDF-analyses onthulden spannende resultaten:het bestaan ​​van lithiumhydride (LiH) in de interfase. Al decenia, wetenschappers hadden gedebatteerd of LiH bestond in de interfase, waardoor onzekerheid ontstaat over het fundamentele reactiemechanisme dat de interfase vormt.

"Toen we voor het eerst het bestaan ​​van LiH zagen, we waren erg enthousiast omdat dit de eerste keer was dat LiH in de interfase werd aangetoond met behulp van technieken met statistische betrouwbaarheid. Maar we waren ook voorzichtig omdat mensen hier al lang aan twijfelen, " zei Hu.

Co-auteur Xiao-Qing Yang, een natuurkundige in Brookhaven's Chemistry Division, toegevoegd, "LiH en lithiumfluoride (LiF) hebben zeer vergelijkbare kristalstructuren. Onze claim van LiH had kunnen worden betwist door mensen die dachten dat we LiF verkeerd identificeerden als LiH."

Gezien de controverse rond dit onderzoek, evenals de technische uitdagingen die LiH onderscheiden van LiF, het onderzoeksteam besloot meerdere bewijslijnen te leveren voor het bestaan ​​van LiH, inclusief een luchtexperiment.

"LiF is luchtstabiel, terwijl LiH dat niet is, Yang zei. "Als we de interfase blootstellen aan lucht met vocht, en als de hoeveelheid van de onderzochte verbinding in de loop van de tijd afnam, dat zou bevestigen dat we LiH hebben gezien, niet LiF. En dat is precies wat er gebeurde. Omdat LiH en LiF moeilijk te onderscheiden zijn en het experiment met luchtblootstelling nog nooit eerder was uitgevoerd, het is zeer waarschijnlijk dat LiH ten onrechte is geïdentificeerd als LiF, of niet waargenomen vanwege de ontledingsreactie van LiH met vocht, in veel literatuurrapporten."

Yang vervolgde, "De monstervoorbereiding bij PNNL was van cruciaal belang voor dit werk. We vermoeden ook dat veel mensen LiH niet konden identificeren omdat hun monsters voorafgaand aan het experiment aan vocht waren blootgesteld. Als u het monster niet verzamelt, verzegel het, en correct vervoeren, je mist."

Naast het identificeren van de aanwezigheid van LiH, het team loste ook een andere al lang bestaande puzzel op rond LiF. LiF wordt beschouwd als een favoriete component in de interfase, maar het werd niet helemaal begrepen waarom. Het team identificeerde structurele verschillen tussen LiF in de interfase en LiF in de bulk, waarbij de eerste het transport van lithiumionen tussen de anode en de kathode vergemakkelijkt.

"Van monstervoorbereiding tot data-analyse, we hebben nauw samengewerkt met PNNL, het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger, and the University of Maryland, " said Brookhaven chemist Zulipiya Shadike, first author of the study. "As a young scientist, I learned a lot about conducting an experiment and communicating with other teams, especially because this is such a challenging topic."

Hu added, "This work was made possible by combining the ambitions of young scientists, wisdom from senior scientists, and patience and resilience of the team."

Beyond the teamwork between institutions, the teamwork between Brookhaven Lab's Chemistry Division and NSLS-II continues to drive new research results and capabilities.

"The battery group in the Chemistry Division works on a variety of problems in the battery field. They work with cathodes, anodes, and electrolytes, and they continue to bring XPD new issues to solve and challenging samples to study, " Ghose said. "That's exciting to be part of, but it also helps me develop methodology for other researchers to use at my beamline. Momenteel, we are developing the capability to run in situ and operando experiments, so researchers can scan the entire battery with higher spatial resolution as a battery is cycling."

The scientists are continuing to collaborate on battery research across Brookhaven Lab departments, other national labs, and universities. They say the results of this study will provide much-needed practical guidance on lithium metal anodes, propelling research on this promising material forward.