Теперь команда ученых, возглавляемая химиками из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL), разгадала сложные химические механизмы компонента батареи, который имеет решающее значение для повышения плотности энергии: интерфазы. Их работа опубликована сегодня в Природные нанотехнологии.

Консорциум DOE Battery500 нацелен на производство литий-металлических анодов

Многие электронные устройства, включая смартфоны и даже электромобили, в настоящее время полагаются на обычные литий-ионные аккумуляторы. В то время как литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение благодаря своей высокой эффективности и длительному сроку службы, эти аккумуляторы сталкиваются с проблемами в более требовательных приложениях, таких как питание электромобилей на большие расстояния.

Чтобы создать более совершенную батарею для электромобилей, исследователи из нескольких национальных лабораторий и университетов, спонсируемых DOE, сформировали консорциум под названием Battery500. Возглавляемый PNNL консорциум стремится производить аккумуляторные элементы с плотностью энергии 500 ватт-часов на килограмм, что более чем в два раза превышает плотность энергии современных батарей. Для этого команда сосредоточилась на литий-металлических батареях. В то время как литий-ионные батареи основаны на графитовых анодах, в этих батареях используются литий-металлические аноды.

Литий-металлические аноды обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии, чем графитовые аноды, но есть и компромиссы. Одной из самых больших проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются ученые, является поиск способа стабилизации анода по мере зарядки и разрядки аккумулятора.

В поисках такого метода ученые из Брукхейвенской лаборатории и PNNL провели углубленное исследование межфазного взаимодействия литий-металлических батарей с твердым электролитом. Промежуточная фаза - это химический слой, образующийся между анодом и электролитом при зарядке и разрядке батареи. Ученые узнали, что межфазный переход является ключом к стабилизации литий-металлических батарей, но это очень чувствительный образец со сложным химическим составом, что затрудняет его изучение и, следовательно, затрудняет полное понимание.

"Межфазный режим влияет на циклическую работу всей батареи. Это очень важная, но неуловимая система", - сказал химик из Брукхейвена Энюань Ху, который руководил исследованием. "Многие методы могут повредить этот маленький, чувствительный образец, который также имеет как кристаллическую, так и аморфную фазы".

Научное сообщество провело множество исследований с использованием различных экспериментальных методов, включая криоэлектронную микроскопию, чтобы лучше понять межфазный процесс, но картина все еще далека от ясности и полноты.

"Всестороннее понимание межфазного взаимодействия обеспечивает основу для создания эффективной межфазной связи", - сказал ученый PNNL Ся Цао, который был одним из руководителей исследования и руководил разработкой электролита. "Консорциум Battery500 настоятельно поощряет сотрудничество. Мы тесно сотрудничаем с Брукхейвенской лабораторией во многих научных проектах, особенно в понимании межфазности".

Чтобы глубже погрузиться в сложную и неуловимую химию межфазного взаимодействия, команда обратилась к единственному в своем роде инструменту под названием National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

NSLS-II проливает свет на межфазную химию

NSLS-II - это пользовательское устройство Управления науки Министерства обороны США в Брукхейвенской лаборатории, которое генерирует сверхяркие рентгеновские лучи для изучения состава материалов в атомном масштабе. Ху и его коллеги уже много лет используют передовые возможности линии пучка рентгеновской порошковой дифракции (XPD) в NSLS-II для совершения новых открытий в области химии аккумуляторных батарей. Основываясь на своих предыдущих успехах, команда вернулась в XPD, чтобы собрать свои самые точные данные о межфазном пока.

"Ранее мы обнаружили, что высокоэнергетические синхротронные рентгеновские лучи не повреждают межфазный образец", - сказал Ху. "Это очень важно, потому что одна из самых больших проблем при характеристике межфазного взаимодействия заключается в том, что образцы очень чувствительны к другим типам излучения, включая рентгеновские лучи низкой энергии. Итак, в этой работе мы воспользовались двумя методами, использующими рентгеновские лучи высокой энергии, рентгеновской дифракцией и анализом функции распределения пар, чтобы зафиксировать химический состав как кристаллической, так и аморфной фаз в межфазном слое металлического лития".

После 50-кратного циклирования литий-металлической батареи и сбора достаточного количества межфазного образца команда разобрала элемент, соскребла следовое количество межфазного порошка с поверхности металлического лития и направила высокоэнергетические рентгеновские лучи XPD на образец, чтобы выявить его сложный химический состав.

"XPD - одна из немногих beamlines в мире, которая способна проводить это исследование", - сказал Санджит Гоз, ведущий специалист по beamline в XPD и соавтор исследования. "Линия луча обеспечила три преимущества для этой работы: малое поперечное сечение поглощения, которое меньше повреждает образец; комбинированные методы, дифракция рентгеновских лучей для получения информации о фазе и функции распределения пар для информации о реальном пространстве; и луч высокой интенсивности для получения качественных данных из образца трассировки".

Это уникальное сочетание передовых рентгеновских методов предоставило команде подробную химическую карту межфазных компонентов - их происхождение, функциональные возможности, взаимодействия и эволюцию.

"Мы сосредоточились на трех различных компонентах интерфазы", - сказал постдок Брукхейвена Ша Тан, первый автор статьи. "Первым был гидрид лития и механизм его образования. Ранее мы обнаружили, что гидрид лития существует в межфазном состоянии, и на этот раз мы определили источник водорода".

В частности, команда определила, что гидроксид лития, который изначально содержится в металлическом аноде лития, является вероятным источником образования гидрида лития. Контроль состава этого соединения поможет ученым разработать улучшенную межфазную среду с максимально возможной производительностью.

"Во-вторых, мы изучили фторид лития, который очень важен для электрохимических характеристик, и обнаружили, что он может образовываться в больших масштабах в электролитах низкой концентрации", - сказал Тан.

Ранее ученые полагали, что фторид лития может образовываться только в электролитах с использованием электролитов высокой концентрации, которые основаны на дорогостоящих солях. Таким образом, работа свидетельствует о том, что электролиты низкой концентрации, которые являются более экономичными, потенциально могут хорошо работать в этих аккумуляторных системах.

"В-третьих, мы изучили гидроксид лития, чтобы понять, как он расходуется во время работы аккумулятора. Все это очень новые находки, важные для понимания межфазного взаимодействия".

В совокупности эти результаты помогают пролить свет на ранее упускавшиеся из виду компоненты межфазного взаимодействия и позволят более точно и управляемо спроектировать межфазное взаимодействие для литий-металлических батарей.

Продвигаясь вперед, команда продолжает вносить свой вклад в дополнительные исследования консорциума Battery500. Battery500 в настоящее время находится на втором этапе, который продлится до 2026 года.

Эта работа была поддержана Управлением Министерства энергетики по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением транспортных технологий и Управлением науки Министерства энергетики. Операции в NSLS-II поддерживаются Управлением науки.