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據(jù)外媒報道，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的一組研究人員確定了有關(guān)鋰金屬陽極電池內(nèi)部反應(yīng)機制的新細節(jié)，該項研究結(jié)果是朝著研發(fā)出尺寸更小、重量更輕、更便宜的電動汽車電池邁出的重要一步。
布魯克海文國家實驗室電池研究人員
（圖片來源：布魯克海文國家實驗室）
重造鋰金屬陽極
智能手機、電動汽車等各種電子設(shè)備中都能找到傳統(tǒng)鋰離子電池，雖然鋰離子電池使很多技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但其在為電動汽車長距離行駛提供動力方面仍面臨著挑戰(zhàn)。
為了打造更適合電動汽車的電池，美國DOE太平洋西北國家實驗室（PNNL）牽頭的多個美國國家實驗室以及獲DOE資助的大學(xué)研究人員一起成立了一個名為Battery500的聯(lián)盟，目標(biāo)是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯，即能量密度是當(dāng)今最先進電池的兩倍。為此，該聯(lián)盟正重點關(guān)注由鋰金屬陽極制成的電池。
與大多采用石墨為陽極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池采用鋰金屬為陽極。研究人員表示：“鋰金屬陽極是滿足Battery500能量密度目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)點在于其能量密度是現(xiàn)有電池的兩倍。其一，此種陽極的比容量很高；其二，可實現(xiàn)電壓更高的電池，二者結(jié)合就可以實現(xiàn)更高的能量密度。”
科學(xué)家們很早就認識到了鋰金屬陽極的優(yōu)點；事實上，鋰金屬陽極是首個與電池陰極耦合的陽極。但是由于此種陽極缺乏“可逆性”，即通過可逆電化學(xué)反應(yīng)充電的能力，電池研究人員最終用石墨陽極取代了鋰金屬陽極，打造了鋰離子電池。
現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的進步，研究人員有信心實現(xiàn)可逆的鋰金屬陽極，以超越鋰離子電池的極限。關(guān)鍵在于界面，即電化學(xué)反應(yīng)過程中電池電極上形成的固體材料層。
研究人員表示：“如果我們能夠完全了解該種界面，就能夠為材料設(shè)計和打造可逆的鋰金屬陽極提供重要指導(dǎo)。但是，了解該種界面是一項相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為其是一種非常薄的材料層，只有幾納米厚，而且對空氣和濕度也很敏感，因此處理此種樣品非常棘手。”
在NSLS-II將此種界面實現(xiàn)可視化
為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，“看到”該界面的化學(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)，研究人員采用了布魯克海文國家實驗室DOE科學(xué)辦公室的用戶設(shè)備——國家同步加速器光源II （NSLS-II），以產(chǎn)生超亮的X射線從原子尺度來研究該界面的材料特性。
除了利用NSLS-II的先進能力之外，該研究小組還需要利用一個能夠探測該界面所有成分的波束線（實驗站），用高能（短波長）X射線探測晶體相以及非晶相。該波束線即是X射線粉末衍射（XPD）的波束線。
研究人員表示：“化學(xué)團隊采用了XPD的多模態(tài)方法，利用了波束線提供的兩種不同技術(shù)，X射線衍射（XRD）和對分布函數(shù)（PDF）分析。XRD能夠研究晶體相，而PDF能夠研究非晶相。”
XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的結(jié)果：界面內(nèi)存在鋰氫化物（LiH）。幾十年來，科學(xué)家們一直在爭論是否界面內(nèi)存在LiH，從而給形成界面的基本反應(yīng)機制造成了不確定性。
研究人員表示：“LiH和氟化鋰（LiF）有著非常相似的晶體結(jié)構(gòu)，我們提出發(fā)現(xiàn)LiH的說法受到了一些人的質(zhì)疑，他們認為我們錯把LiF認作了LiH。”
考慮到該項研究涉及的爭議，以及區(qū)分LiH與LiF所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，該研究小組決定為LiH的存在提供多條證據(jù)，包括進行空氣暴露實驗。
研究人員表示：“LiF在空氣中是穩(wěn)定的，LiH則不然。如果我們將該界面暴露在潮濕的空氣中，如果該化合物的含量隨著時間的推移而減少，就可以證實我們確實看到的是LiH，而不是LiF，而事實確實如此。由于很難區(qū)分LiH和LiF，而且之前從未進行過空氣暴露實驗，在很多文獻報道中，是很有可能錯把LiH認作LiF，或者由于LiH在潮濕環(huán)境中的分解反應(yīng)而未被觀察到。”
研究人員繼續(xù)說道：“在PNNL完成的樣品制備工作對于該項研究至關(guān)重要，我們也懷疑很多人無法識別LiH是因為他們的樣品在進行實驗之前就被暴露在潮濕的環(huán)境中。如果不收集樣品，密封樣品，正確運輸樣品，可能就會錯過LiH。”
除了確認LiH的存在，該團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期謎題。LiF一直被認為是界面的有利成分，但是一直沒有人完全了解原因何在。該團隊確定了界面內(nèi)LiF以及大部分LiF本身存在的結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)前者可以促進鋰離子在陽極和陰極之間傳輸。
目前，布魯克海文國家實驗室、其他國家實驗室以及各大學(xué)的電池研究科學(xué)家們還在繼續(xù)合作。研究人員表示，該項研究成果將能夠為鋰金屬陽極提供急需的實用指導(dǎo)，推動此種有發(fā)展前景材料的研究向前發(fā)展。
布魯克海文國家實驗室電池研究人員
（圖片來源：布魯克海文國家實驗室）
重造鋰金屬陽極
智能手機、電動汽車等各種電子設(shè)備中都能找到傳統(tǒng)鋰離子電池，雖然鋰離子電池使很多技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但其在為電動汽車長距離行駛提供動力方面仍面臨著挑戰(zhàn)。
為了打造更適合電動汽車的電池，美國DOE太平洋西北國家實驗室（PNNL）牽頭的多個美國國家實驗室以及獲DOE資助的大學(xué)研究人員一起成立了一個名為Battery500的聯(lián)盟，目標(biāo)是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯，即能量密度是當(dāng)今最先進電池的兩倍。為此，該聯(lián)盟正重點關(guān)注由鋰金屬陽極制成的電池。
與大多采用石墨為陽極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池采用鋰金屬為陽極。研究人員表示：“鋰金屬陽極是滿足Battery500能量密度目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)點在于其能量密度是現(xiàn)有電池的兩倍。其一，此種陽極的比容量很高；其二，可實現(xiàn)電壓更高的電池，二者結(jié)合就可以實現(xiàn)更高的能量密度。”
科學(xué)家們很早就認識到了鋰金屬陽極的優(yōu)點；事實上，鋰金屬陽極是首個與電池陰極耦合的陽極。但是由于此種陽極缺乏“可逆性”，即通過可逆電化學(xué)反應(yīng)充電的能力，電池研究人員最終用石墨陽極取代了鋰金屬陽極，打造了鋰離子電池。
現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的進步，研究人員有信心實現(xiàn)可逆的鋰金屬陽極，以超越鋰離子電池的極限。關(guān)鍵在于界面，即電化學(xué)反應(yīng)過程中電池電極上形成的固體材料層。
研究人員表示：“如果我們能夠完全了解該種界面，就能夠為材料設(shè)計和打造可逆的鋰金屬陽極提供重要指導(dǎo)。但是，了解該種界面是一項相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為其是一種非常薄的材料層，只有幾納米厚，而且對空氣和濕度也很敏感，因此處理此種樣品非常棘手。”
在NSLS-II將此種界面實現(xiàn)可視化
為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，“看到”該界面的化學(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)，研究人員采用了布魯克海文國家實驗室DOE科學(xué)辦公室的用戶設(shè)備——國家同步加速器光源II （NSLS-II），以產(chǎn)生超亮的X射線從原子尺度來研究該界面的材料特性。
除了利用NSLS-II的先進能力之外，該研究小組還需要利用一個能夠探測該界面所有成分的波束線（實驗站），用高能（短波長）X射線探測晶體相以及非晶相。該波束線即是X射線粉末衍射（XPD）的波束線。
研究人員表示：“化學(xué)團隊采用了XPD的多模態(tài)方法，利用了波束線提供的兩種不同技術(shù)，X射線衍射（XRD）和對分布函數(shù)（PDF）分析。XRD能夠研究晶體相，而PDF能夠研究非晶相。”
XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的結(jié)果：界面內(nèi)存在鋰氫化物（LiH）。幾十年來，科學(xué)家們一直在爭論是否界面內(nèi)存在LiH，從而給形成界面的基本反應(yīng)機制造成了不確定性。
研究人員表示：“LiH和氟化鋰（LiF）有著非常相似的晶體結(jié)構(gòu)，我們提出發(fā)現(xiàn)LiH的說法受到了一些人的質(zhì)疑，他們認為我們錯把LiF認作了LiH。”
考慮到該項研究涉及的爭議，以及區(qū)分LiH與LiF所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，該研究小組決定為LiH的存在提供多條證據(jù)，包括進行空氣暴露實驗。
研究人員表示：“LiF在空氣中是穩(wěn)定的，LiH則不然。如果我們將該界面暴露在潮濕的空氣中，如果該化合物的含量隨著時間的推移而減少，就可以證實我們確實看到的是LiH，而不是LiF，而事實確實如此。由于很難區(qū)分LiH和LiF，而且之前從未進行過空氣暴露實驗，在很多文獻報道中，是很有可能錯把LiH認作LiF，或者由于LiH在潮濕環(huán)境中的分解反應(yīng)而未被觀察到。”
研究人員繼續(xù)說道：“在PNNL完成的樣品制備工作對于該項研究至關(guān)重要，我們也懷疑很多人無法識別LiH是因為他們的樣品在進行實驗之前就被暴露在潮濕的環(huán)境中。如果不收集樣品，密封樣品，正確運輸樣品，可能就會錯過LiH。”
除了確認LiH的存在，該團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期謎題。LiF一直被認為是界面的有利成分，但是一直沒有人完全了解原因何在。該團隊確定了界面內(nèi)LiF以及大部分LiF本身存在的結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)前者可以促進鋰離子在陽極和陰極之間傳輸。
目前，布魯克海文國家實驗室、其他國家實驗室以及各大學(xué)的電池研究科學(xué)家們還在繼續(xù)合作。研究人員表示，該項研究成果將能夠為鋰金屬陽極提供急需的實用指導(dǎo)，推動此種有發(fā)展前景材料的研究向前發(fā)展。
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