Onderzoekers gebruikten ultraheldere röntgenstralen om lithiumhydride en een nieuwe vorm van lithiumfluoride te identificeren

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 lithiummetaalanodes. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, vormen een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van kleinere, lichtere en goedkopere batterijen voor elektrische voertuigen.

Opnieuw creëren van lithiummetaalanodes

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, staan ​​ze 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, hebben onderzoekers van verschillende nationale laboratoria en door DOE gesponsorde universiteiten een consortium gevormd genaamd 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, wat meer dan het dubbele is van de energiedichtheid van de huidige state-of-the-art batterijen. Het consortium richt zich hiervoor op batterijen gemaakt met lithiummetaalanodes.

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

“Lithium-metaalanodes zijn een van de belangrijkste componenten om te voldoen aan de energiedichtheid die Battery500 nastreeft”, zegt Brookhaven-chemicus Enyuan Hu, hoofdauteur van het onderzoek. “Hun voordeel is tweeledig. Ten eerste is hun specifieke capaciteit erg hoog; ten tweede leveren ze een batterij met een iets hogere spanning. De combinatie leidt tot een grotere energiedichtheid.”

Wetenschappers hebben de voordelen van lithiummetaalanodes al lang erkend; in feite waren ze de eerste anode die aan een kathode werd gekoppeld. Maar vanwege hun gebrek aan “omkeerbaarheid”, het vermogen om te worden opgeladen via een omkeerbare elektrochemische reactie, verving de batterijgemeenschap uiteindelijk lithiummetaalanodes door grafietanodes, waardoor lithium-ionbatterijen ontstonden.

Nu, met tientallen jaren van vooruitgang, zijn onderzoekers ervan overtuigd dat ze lithiummetaalanodes omkeerbaar kunnen maken, waardoor ze de limieten van lithium-ionbatterijen overschrijden. De sleutel is de interfase, een laag van stevig materiaal die zich tijdens de elektrochemische reactie op de elektrode van de batterij vormt.

“Als we de interfase volledig kunnen begrijpen, kunnen we belangrijke richtlijnen geven voor het ontwerp van materialen en lithiummetaalanodes omkeerbaar maken”, zei Hu. “Maar het begrijpen van de interfase is een hele uitdaging, omdat het een heel dun laagje 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.”

Visualiseren van de interfase bij NSLS-II

Om door deze uitdagingen te navigeren en de chemische samenstelling en structuur van de interfase te ‘zien’, wendden de onderzoekers zich tot de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven die ultraheldere röntgenstralen genereert voor studie 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, moest het onderzoeksteam een ​​bundellijn (experimenteel station) gebruiken die alle componenten van de interfase, inclusief kristallijne en amorfe fasen, met hoge energie (korte golflengte) X -stralen. Die bundellijn was de bundellijn van de X-ray Powder Diffraction (XPD).

“Het scheikundeteam profiteerde van een multimodale aanpak bij XPD, met behulp van twee verschillende technieken die worden aangeboden door de bundellijn, röntgendiffractie (XRD) en analyse van de paardistributiefunctie (PDF)”, zegt Sanjit Ghose, hoofdbundellijnwetenschapper bij XPD. “XRD kan de kristallijne fase bestuderen, terwijl PDF de amorfe fase kan bestuderen.”

De XRD- en PDF-analyses lieten opwindende resultaten zien: het bestaan ​​van lithiumhydride (LiH) in de interfase. Decennia lang hadden wetenschappers gedebatteerd of LiH bestond in de interfase, waardoor onzekerheid ontstond over het fundamentele reactiemechanisme dat de interfase vormt.

“Toen we voor het eerst het bestaan ​​van LiH zagen, waren we erg opgewonden, want dit was de eerste keer dat werd aangetoond dat LiH in de interfase bestond met behulp van technieken met statistische betrouwbaarheid. Maar we waren ook voorzichtig omdat mensen hier al lang aan twijfelden. , ‘Zei Hu.

Co-auteur Xiao-Qing Yang, een natuurkundige in Brookhaven’s Chemistry Division, voegde eraan toe: “LiH en lithiumfluoride (LiF) hebben zeer vergelijkbare kristalstructuren. Onze claim over LiH zou kunnen worden aangevochten door mensen die dachten dat we LiF ten onrechte als LiH hadden geïdentificeerd.”

Gezien de controverse rond dit onderzoek, evenals de technische uitdagingen die LiH van LiF onderscheiden, besloot het onderzoeksteam om meerdere bewijzen te leveren voor het bestaan ​​van LiH, waaronder een experiment met blootstelling aan lucht.

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

Yang vervolgde: “De monstervoorbereiding bij PNNL was cruciaal voor dit werk. We vermoeden ook dat veel mensen LiH niet konden identificeren omdat hun monsters waren blootgesteld aan vocht voorafgaand aan experimenten. Als je het monster niet verzamelt, verzegel het dan, en het correct vervoeren, mis je. “

Naast het identificeren van de aanwezigheid van LiH, loste het team ook een andere al lang bestaande puzzel op rond LiF. LiF werd beschouwd als een favoriete component in de interfase, maar het was niet helemaal duidelijk 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 vergemakkelijkte.

“Van monstervoorbereiding tot data-analyse hebben we nauw samengewerkt met PNNL, het US Army Research Laboratory en de Universiteit van Maryland”, aldus Brookhaven-chemicus Zulipiya Shadike, eerste auteur van het onderzoek. “Als jonge wetenschapper heb ik veel geleerd over het uitvoeren van een experiment en het communiceren met andere teams, vooral omdat dit zo’n uitdagend onderwerp is.”

Hu voegde toe: “Dit werk is mogelijk gemaakt door de ambities van jonge wetenschappers, de wijsheid van senior wetenschappers en het geduld en de veerkracht van het team te combineren.”

Naast het teamwerk tussen instellingen, blijft het teamwerk tussen Brookhaven Lab’s Chemistry Division en NSLS-II nieuwe onderzoeksresultaten en capaciteiten stimuleren.

“De batterijgroep in de Chemie Divisie werkt aan een verscheidenheid aan problemen op het gebied van batterijen. Ze werken met kathodes, anodes en elektrolyten, en ze blijven nieuwe XPD-problemen brengen om op te lossen en monsters uitdagen om te bestuderen”, zei Ghose. “Dat is spannend om er deel van uit te maken, maar het helpt me ook methodologie te ontwikkelen die andere onderzoekers kunnen gebruiken op mijn bundellijn. Momenteel ontwikkelen we de mogelijkheid om in situ en operando experimenten uit te voeren, zodat onderzoekers de hele batterij kunnen scannen met een hogere ruimtelijke resolutie. zoals een batterij fietst. “

De wetenschappers blijven samenwerken aan batterijonderzoek in Brookhaven Lab-afdelingen, andere nationale laboratoria en universiteiten. Ze zeggen dat de resultaten van deze studie de broodnodige praktische begeleiding zullen bieden voor lithiummetaalanodes, waardoor het onderzoek naar dit veelbelovende materiaal wordt gestimuleerd.