Pramonės naujienos

Tyrėjai sprendžia naują iššūkį siekdami naujos kartos ličio baterijų

2022-04-14

Jaredas Sagoffas, Argonne nacionalinė laboratorija

Naujos kartos baterijų sukūrimas priklauso nuo medžiagų, kurios užtikrina didesnę talpą, paieška. Viena jų rūšis, žinoma kaip ličio-oro (Li-air) baterijos, yra ypač patraukli tyrėjams, nes turi žymiai didesnę teorinę talpą nei įprastos ličio jonų baterijos.

Tačiau ličio oro baterijų kūrimas vis dar yra pradinėje stadijoje ir, kaip ir dauguma naujų technologijų, susiduria su daugybe iššūkių. Vienas iš šių iššūkių yra susijęs su krūvio perkėlimu į anodą, kuris kartu su katodu ir elektrolitu yra vienas iš trijų pagrindinių akumuliatoriaus komponentų.

Naujame tyrime elektrochemikas Di-Jia (D.J.) Liu ir jo kolegos iš JAV Energetikos departamento Argonne nacionalinės laboratorijos ištyrė anodo elgesį ličio-oro baterijose baterijos veikimo metu.

Naudodami didelės energijos, sufokusuotus rentgeno spindulius, kuriuos teikia Argonne's Advanced Photon Source (APS), Liu ir jo komanda sugebėjo nedestruktyviai pažvelgti į veikiančią bateriją, kad ištirtų anodo mikrostruktūros pokyčius. Jie matė, kad susidarė plona kieta ličio hidroksido (LiOH) danga, kuri toliau augo ličio metalo sąskaita, kol metalas buvo visiškai paverstas hidroksidu ir nutraukta operacija.

„Tai buvo toks klausimas, kurį visi norėjo žinoti, bet bijojo arba nežinojo, kaip paklausti“, – sakė Liu. "Beveik visa literatūra apie ličio oro baterijas iki šiol buvo skirta cheminiams procesams katode, darant prielaidą, kad anodas yra visiškai grįžtamasis. Tačiau dabar mes žinome, kad taip nėra."
Tuo komandos tyrimas nesibaigė. Kadangi ličio hidroksidas nėra jonai ar elektronams laidži medžiaga, liko paslaptis suprasti, kaip danga nesustabdo akumuliatoriaus ciklo, kai tik ji susiformuoja. Naudodami 3 dimensijos mikrotomografijos techniką APS, Liu ir jo bendradarbiai sugebėjo atlikti hidroksido dangos „CAT nuskaitymą“ ir rado daugybę mikroskopinių tunelių, jungiančių metalinį litį prie anodo prie likusios baterijos.

„Šie tuneliai tarnauja kaip jonams laidūs kanalai, pernešantys ličio jonus tarp anodo ir katodo“, – sakė Liu. „Jie palaikė ličio oro akumuliatoriaus veikimą, bet nesustabdė anodo skilimo.

Liu mano, kad viena iš pagrindinių ličio hidroksido problemos priežasčių gali būti akumuliatoriaus elektrolito – terpės, pernešančios ličio jonus tarp dviejų elektrodų – skilimas. Skilus elektrolitui, šalia katodo gali susidaryti vanduo, kuris vėliau galėtų migruoti į anodą ir reaguoti su metaliniu ličiu.

Tačiau Argonne eksperimentas neatskleidė jokio ličio hidroksido šalia katodo, kuris turėjo būti, jei vanduo susidarytų skylant elektrolitui. „Manau, kad atlikdami šį tyrimą, kuris yra įdomi mokslo dalis, sukūrėme tiek klausimų, kiek atsakymų“, - sakė jis.

Šį darbą atliko visa Argonne komanda, įskaitant spindulių mokslininkus Johną Okasinskį, Peterį Kenesei, Jonathaną Almerį ir chemijos postdocs Jianglan Shui ir Dan Zhao. Ją parėmė JAV Energetikos departamento Mokslo biuras ir Argonne's Grand Challenge programa. Darbas buvo paskelbtas rugpjūčio 9 d. Nature Communications numeryje.