美国新发现有助于研发更小、更轻、更便宜的汽车电池

2021-2-8 16:06 188 0 来自: 盖世汽车
简介
【汽车轻量化在线】据外媒报道,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)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,该项研究结果是朝着研发出尺寸更小、重量 ...
汽车轻量化在线】据外媒报道,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)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,该项研究结果是朝着研发出尺寸更小、重量更轻、更便宜的电动汽车电池迈出的重要一步。

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布鲁克海文国家实验室电池研究人员(图片来源:布鲁克海文国家实验室)

重造锂金属阳极

智能手机、电动汽车等各种电子设备中都能找到传统锂离子电池,虽然锂离子电池使很多技术得到了广泛应用,但其在为电动汽车长距离行驶提供动力方面仍面临着挑战。

为了打造更适合电动汽车的电池,美国DOE太平洋西北国家实验室(PNNL)牵头的多个美国国家实验室以及获DOE资助的大学研究人员一起成立了一个名为Battery500的联盟,目标是打造能量密度为500Wh/kg的电池电芯,即能量密度是当今最先进电池的两倍。为此,该联盟正重点关注由锂金属阳极制成的电池。

与大多采用石墨为阳极的锂离子电池相比,锂金属电池采用锂金属为阳极。研究人员表示:“锂金属阳极是满足Battery500能量密度目标的关键因素之一,优点在于其能量密度是现有电池的两倍。其一,此种阳极的比容量很高;其二,可实现电压更高的电池,二者结合就可以实现更高的能量密度。”

科学家们很早就认识到了锂金属阳极的优点;事实上,锂金属阳极是首个与电池阴极耦合的阳极。但是由于此种阳极缺乏“可逆性”,即通过可逆电化学反应充电的能力,电池研究人员最终用石墨阳极取代了锂金属阳极,打造了锂离子电池。

现在,经过几十年的进步,研究人员有信心实现可逆的锂金属阳极,以超越锂离子电池的极限。关键在于界面,即电化学反应过程中电池电极上形成的固体材料层。

研究人员表示:“如果我们能够完全了解该种界面,就能够为材料设计和打造可逆的锂金属阳极提供重要指导。但是,了解该种界面是一项相当大的挑战,因为其是一种非常薄的材料层,只有几纳米厚,而且对空气和湿度也很敏感,因此处理此种样品非常棘手。”

在NSLS-II将此种界面实现可视化

为了应对上述挑战,“看到”该界面的化学构成和结构,研究人员采用了布鲁克海文国家实验室DOE科学办公室的用户设备——国家同步加速器光源II (NSLS-II),以产生超亮的X射线从原子尺度来研究该界面的材料特性。

除了利用NSLS-II的先进能力之外,该研究小组还需要利用一个能够探测该界面所有成分的波束线(实验站),用高能(短波长)X射线探测晶体相以及非晶相。该波束线即是X射线粉末衍射(XPD)的波束线。

研究人员表示:“化学团队采用了XPD的多模态方法,利用了波束线提供的两种不同技术,X射线衍射(XRD)和对分布函数(PDF)分析。XRD能够研究晶体相,而PDF能够研究非晶相。”

XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的结果:界面内存在锂氢化物(LiH)。几十年来,科学家们一直在争论是否界面内存在LiH,从而给形成界面的基本反应机制造成了不确定性。

研究人员表示:“LiH和氟化锂(LiF)有着非常相似的晶体结构,我们提出发现LiH的说法受到了一些人的质疑,他们认为我们错把LiF认作了LiH。”

考虑到该项研究涉及的争议,以及区分LiH与LiF所面临的技术挑战,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。

研究人员表示:“LiF在空气中是稳定的,LiH则不然。如果我们将该界面暴露在潮湿的空气中,如果该化合物的含量随着时间的推移而减少,就可以证实我们确实看到的是LiH,而不是LiF,而事实确实如此。由于很难区分LiH和LiF,而且之前从未进行过空气暴露实验,在很多文献报道中,是很有可能错把LiH认作LiF,或者由于LiH在潮湿环境中的分解反应而未被观察到。”

研究人员继续说道:“在PNNL完成的样品制备工作对于该项研究至关重要,我们也怀疑很多人无法识别LiH是因为他们的样品在进行实验之前就被暴露在潮湿的环境中。如果不收集样品,密封样品,正确运输样品,可能就会错过LiH。”

除了确认LiH的存在,该团队还解决了另一个围绕LiF的长期谜题。LiF一直被认为是界面的有利成分,但是一直没有人完全了解原因何在。该团队确定了界面内LiF以及大部分LiF本身存在的结构差异,发现前者可以促进锂离子在阳极和阴极之间传输。

目前,布鲁克海文国家实验室、其他国家实验室以及各大学的电池研究科学家们还在继续合作。研究人员表示,该项研究成果将能够为锂金属阳极提供急需的实用指导,推动此种有发展前景材料的研究向前发展。


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