美国新发现有助于研发更小、更轻、更便宜的汽车电池

据外媒报道，美国能源部布鲁克黑文国家实验室的一组研究人员确定了锂金属阳极电池内部反应机制的新细节。研究结果是朝着开发更小、更轻、更便宜的电动汽车电池迈出的重要一步。

布鲁克黑文国家实验室的电池研究人员在智能手机和电动汽车等各种电子设备中发现了传统的锂离子电池。尽管锂离子电池已经广泛应用了许多技术，但它们在为电动汽车的长途驾驶提供动力方面仍然面临挑战。为了制造更适合电动汽车的电池，美国能源部太平洋西北国家实验室领导的多个美国国家实验室和美国能源部资助的大学研究人员组成了一个名为Battery500的联盟。目标是制造能量密度为500Wh/kg的电池，这是当今最先进电池能量密度的两倍。出于这个原因，该联盟正专注于由锂金属阳极制成的电池。与主要使用石墨作为阳极的锂离子电池相比，锂金属电池使用锂金属作为阳极。研究人员表示，“锂金属阳极是实现Battery500能量密度目标的关键因素之一，其优点是其能量密度是现有电池的两倍。首先，这种类型的阳极具有高比容量；其次，它可以实现更高电压的电池，两者结合可以实现更大的能量密度。”。“科学家们早就认识到锂金属阳极的优势；

事实上，锂金属阳极是第一个与电池阴极耦合的阳极。然而，由于这种类型的阳极缺乏“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，制造出了锂离子电池。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，即在电化学反应过程中在电池电极上形成的固体材料层。研究人员表示， “如果我们能够完全理解这个界面，它可以为材料设计和可逆锂金属阳极的制造提供重要指导。然而，理解这个界面是一个相当大的挑战，因为它是一个非常薄的材料层，只有几纳米厚，对空气和湿度敏感，因此处理这样的样品非常具有挑战性。在NS可视化这个界面LS-II为了应对上述挑战并“了解”界面的化学成分和结构，研究人员使用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生成超亮X射线，在原子尺度上研究界面的材料财产。除了利用NSLS-II的先进功能外，研究团队还需要利用能够检测界面所有成分的光束线，并使用高能X射线来检测晶相和非晶相。该光束线是X射线粉末衍射的光束线。研究人员表示，“化学团队使用了XPD的多峰方法，利用了光束线提供的两种不同技术，即X射线衍射和分布函数分析。XRD可以研究晶相，而PDF可以研究非晶相。”XRD和PDF分析揭示了一个有希望的结果：界面处存在氢化锂。几十年来，科学家们一直在争论界面内是否存在LiH，这给形成界面的基本反应机制带来了不确定性。研究人员表示，“LiH和氟化锂具有非常相似的晶体结构，我们发现LiH的说法受到了一些人的质疑，他们认为我们错误地将LiF识别为LiH。”考虑到这项研究中涉及的争议以及区分LiH和LiF所面临的技术挑战，研究小组决定为LiH的存在提供多项证据，包括进行空气暴露实验。研究人员指出：LiF在空气中是稳定的，而LiH则不然。如果我们将界面暴露在潮湿的空气中，并且化合物的含量随着时间的推移而降低，可以证实我们确实看到了LiH而不是LiF，事实确实如此。由于很难区分LiH和LiF，而且以前从未进行过空气暴露实验，在许多文献报道中，LiH很可能被错误地识别为LiF，或者由于没有观察到LiH在潮湿环境中的分解反应。研究人员继续说道，“PNNL完成的样本制备工作对这项研究至关重要，我们怀疑许多人无法识别LiH，因为他们的样本在进行实验之前暴露在潮湿的环境中。如果样本没有正确收集、密封和运输，LiH可能会被遗漏。”除了确认LiH的存在外，该团队还解决了围绕LiF的另一个长期难题。LiF一直被认为是界面的有利成分，但没有人完全理解其背后的原因。该团队确定了界面内的LiF与大多数LiF本身之间的结构差异，并发现前者可以促进锂离子在阳极和阴极之间的传输。目前，来自布鲁克黑文国家实验室、其他国家实验室和大学的电池研究科学家正在继续合作。研究人员表示，研究结果将为锂金属阳极提供急需的实用指导，并促进这种有前景的材料的研发。

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