Ett team av forskare ledda av kemister vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har identifierat nya detaljer om reaktionsmekanismen som äger rum i batterier med litiummetallanoder. Resultaten, publiceras idag i Naturens nanoteknik , är ett stort steg mot att utveckla mindre, lättare, och billigare batterier för elfordon.

Återskapande litiummetallanoder

Konventionella litiumjonbatterier finns i en mängd olika elektronik, från smartphones till elfordon. Medan litiumjonbatterier har möjliggjort en utbredd användning av många tekniker, de står fortfarande inför utmaningar när det gäller att driva elfordon över långa avstånd.

För att bygga ett batteri som är bättre lämpat för elfordon, forskare från flera nationella laboratorier och DOE-sponsrade universitet har bildat ett konsortium som heter Battery500, leds av DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Deras mål är att tillverka battericeller med en energitäthet på 500 wattimmar per kilogram, vilket är mer än dubbelt så mycket energitäthet som dagens toppmoderna batterier. Att göra så, konsortiet fokuserar på batterier tillverkade med litiummetallanoder.

Jämfört med litiumjonbatterier, som oftast använder grafit som anod, litiummetallbatterier använder litiummetall som anod.

"Litiummetallanoder är en av nyckelkomponenterna för att uppfylla den energitäthet som eftersträvas av Battery500, " sa Brookhaven kemisten Enyuan Hu, ledande författare av studien. "Deras fördel är tvåfaldig. För det första, deras specifika kapacitet är mycket hög; andra, de ger ett batteri med något högre spänning. Kombinationen leder till en större energitäthet."

Forskare har länge insett fördelarna med litiummetallanoder; faktiskt, de var den första anoden som kopplades till en katod. Men på grund av deras brist på "reversibilitet, "förmågan att laddas om genom en reversibel elektrokemisk reaktion, batterigemenskapen ersatte till slut litiummetallanoder med grafitanoder, skapa litiumjonbatterier.

Nu, med årtionden av framsteg, forskare är övertygade om att de kan göra litiummetallanoder reversibla, överskrider gränserna för litiumjonbatterier. Nyckeln är mellanfasen, ett fast materialskikt som bildas på batteriets elektrod under den elektrokemiska reaktionen.

"Om vi ​​till fullo kan förstå interfasen, vi kan ge viktig vägledning om materialdesign och göra litiummetallanoder reversibla, "Men att förstå interfasen är en ganska utmaning eftersom det är ett mycket tunt lager med en tjocklek på bara flera nanometer. Den är också mycket känslig för luft och fukt, vilket gör provhanteringen mycket svår."

Visualisera interfasen vid NSLS-II

För att navigera i dessa utmaningar och "se" den kemiska sammansättningen och strukturen i interfasen, forskarna vände sig till National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science-användaranläggning i Brookhaven som genererar ultraljusa röntgenstrålar för att studera materialegenskaper på atomär skala.

"NSLS-II:s höga flöde gör det möjligt för oss att titta på en mycket liten mängd av provet och ändå generera mycket högkvalitativ data, " sa Hu.

Utöver de avancerade funktionerna hos NSLS-II som helhet, forskargruppen behövde använda en strållinje (experimentstation) som kunde sondera alla komponenter i interfasen, inklusive kristallina och amorfa faser, med högenergi (kort våglängd) röntgenstrålar. Den strållinjen var strållinjen för röntgenpulverdiffraktion (XPD).

"Kemiteamet utnyttjade ett multimodalt tillvägagångssätt vid XPD, använda två olika tekniker som erbjuds av strållinjen, Analys av röntgendiffraktion (XRD) och parfördelningsfunktion (PDF), sa Sanjit Ghose, ledande strållinjeforskare vid XPD. "XRD kan studera den kristallina fasen, medan PDF kan studera den amorfa fasen."

XRD- och PDF-analyserna avslöjade spännande resultat:förekomsten av litiumhydrid (LiH) i interfasen. I årtionden, forskare hade diskuterat om LiH fanns i mellanfasen, lämnar osäkerhet kring den grundläggande reaktionsmekanismen som bildar interfasen.

"När vi först såg existensen av LiH, vi var väldigt glada eftersom detta var första gången som LiH visades existera i interfasen med hjälp av tekniker med statistisk tillförlitlighet. Men vi var också försiktiga eftersom folk har tvivlat på detta länge, " sa Hu.

Medförfattare Xiao-Qing Yang, en fysiker vid Brookhaven's Chemistry Division, Lagt till, "LiH och litiumfluorid (LiF) har mycket liknande kristallstrukturer. Vårt påstående om LiH kunde ha ifrågasatts av människor som trodde att vi felidentifierade LiF som LiH."

Med tanke på kontroversen kring denna forskning, såväl som de tekniska utmaningarna som skiljer LiH från LiF, forskargruppen beslutade att tillhandahålla flera bevis för existensen av LiH, inklusive ett luftexponeringsexperiment.

"LiF är luftstabilt, medan LiH inte är det, " sa Yang. "Om vi ​​exponerade mellanfasen för luft med fukt, och om mängden av föreningen som undersöks minskade med tiden, det skulle bekräfta att vi såg LiH, inte LiF. Och det var precis vad som hände. Eftersom LiH och LiF är svåra att särskilja och luftexponeringsexperimentet aldrig hade utförts tidigare, det är mycket troligt att LiH har felidentifierats som LiF, eller inte observerats på grund av nedbrytningsreaktionen av LiH med fukt, i många litteraturrapporter."

Yang fortsatte, "Provberedningen som gjordes vid PNNL var avgörande för detta arbete. Vi misstänker också att många människor inte kunde identifiera LiH eftersom deras prover hade exponerats för fukt före experiment. Om du inte samlar in provet, försegla den, och transportera den på rätt sätt, du missar."

Förutom att identifiera LiH:s närvaro, teamet löste också ett annat långvarigt pussel centrerat kring LiF. LiF har ansetts vara en favoriserad komponent i interfasen, men man förstod inte helt varför. Teamet identifierade strukturella skillnader mellan LiF i interfasen och LiF i bulk, with the former facilitating lithium ion transport between the anode and the cathode.

"From sample preparation to data analysis, we closely collaborated with PNNL, the U.S. Army Research Laboratory, and the University of Maryland, " said Brookhaven chemist Zulipiya Shadike, första författare till studien. "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. För närvarande, 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.