布鲁克海文化学家Enyuan Hu(左，第一作者)和Zulipiya Shadike(右，第一作者)拿着1,2-二甲氧基乙烷的模型，该模型是锂金属电池电解质的溶剂。图片来源：布鲁克海文国家实验室
由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的化学家带领的一组研究人员已经确定了具有锂金属阳极的电池中发生的反应机理的新细节。该发现今天发表在《自然纳米技术》上，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。
重建锂金属阳极
常规的锂离子电池可以在从智能手机到电动汽车的各种电子产品中找到。尽管锂离子电池已使许多技术得以广泛使用，但它们仍面临着向长距离电动汽车供电的挑战。
为了制造出更适合电动汽车的电池，来自多个国家实验室和美国能源部资助的大学的研究人员组成了一个名为Battery500的联盟，该联盟由美国能源部的太平洋西北国家实验室(PNNL)领导。他们的目标是制造能量密度为500瓦时/千克的电池，是当今最先进电池的能量密度的两倍以上。为此，财团将重点放在用锂金属阳极制成的电池上。
与最经常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。
这项研究的主要作者布鲁克海文化学家胡恩元说：“锂金属阳极是实现Battery500所追求的能量密度的关键组件之一。” “它们的优点是双重的。首先，它们的比容量非常高;其次，它们提供了更高电压的电池。这种结合导致更大的能量密度。”
长期以来，科学家已经认识到锂金属阳极的优势。实际上，它们是第一个与阴极耦合的阳极。但是由于缺乏“可逆性”，即通过可逆的电化学反应进行充电的能力，电池社区最终用石墨阳极代替了锂金属阳极，从而制成了锂离子电池。
如今，经过数十年的发展，研究人员相信他们可以使锂金属阳极可逆，超越锂离子电池的极限。关键是中间相，即电化学反应期间在电池电极上形成的固态材料层。
胡恩元说：“如果我们能够充分理解相间关系，我们将为材料设计提供重要指导，并使锂金属阳极具有可逆性。” “但是要了解中间相是一个很大的挑战，因为它是一个非常薄的层，厚度只有几纳米。它对空气和湿气也非常敏感，使得样品处理非常棘手。”
可视化NSLS-II的相间
为了应对这些挑战并“看到”中间相的化学组成和结构，研究人员求助于国家同步加速器光源II(NSLS-II)，这是美国能源部位于布鲁克黑文的美国能源部科学办公室的用户设施，可产生超亮X射线用于研究原子尺度的材料特性。
胡说：“ NSLS-II的高通量使我们能够观察极少量的样品，并且仍能产生非常高质量的数据。”
除了整个NSLS-II的先进功能外，研究团队还需要使用光束线(实验台)，该光束线能够以高能量(短波长)探测相的所有成分，包括晶体和非晶相X -射线。该光束线是X射线粉末衍射(XPD)光束线。
XPD首席束线科学家Sanjit Ghose说：“化学团队利用束线提供的两种不同技术，利用XPD的多峰方法，即X射线衍射(XRD)和成对分布函数(PDF)分析。” “ XRD可以研究结晶相，而PDF可以研究非晶相。”
XRD和PDF分析揭示了令人振奋的结果：相间存在氢化锂(LiH)。几十年来，科学家一直在争论LiH是否存在于中间相中，从而在形成中间相的基本反应机理周围留下了不确定性。
“当我们第一次看到LiH的存在时，我们感到非常兴奋，因为这是第一次使用具有统计可靠性的技术证明LiH存在于相间。但是我们也保持谨慎，因为人们一直对此持怀疑态度。 ”，胡说。
布鲁克海文化学系物理学家杨晓庆的合著者补充说：“ LiH和氟化锂(LiF)具有非常相似的晶体结构。我们认为LiH可能受到那些认为我们误认为LiF为LiH的人的质疑。”
考虑到围绕这项研究的争议，以及将LiH与LiF区别开来的技术挑战，研究小组决定提供有关LiH存在的多种证据，包括空气暴露实验。
杨说：“ LiF空气稳定，而LiH不稳定。” “如果我们将中间相暴露在潮湿的空气中，并且随着时间的推移，所探测化合物的数量减少，那将证实我们确实看到了LiH，而不是LiF。而这正是发生的情况。因为LiH和LiF难以区分和在以前从未进行过空气暴露实验的情况下，许多文献报道很可能将LiH误认为是LiF，或者由于LiH与水分的分解反应而没有观察到。”
Yang继续说道：“在PNNL进行的样品制备对这项工作至关重要。我们还怀疑许多人无法识别LiH，因为他们的样品在实验之前就已经暴露在湿气中。如果您不收集样品，则将其密封，并正确运输它，您会错过机会。”
除了确定LiH的存在之外，团队还解决了另一个围绕LiF的长期难题。LiF被认为是中间相中的首选成分，但尚未完全理解为什么。研究小组确定了相间LiF和本体LiF之间的结构差异，前者促进了锂离子在阳极和阴极之间的传输。
该研究的第一作者布鲁克海文化学家祖利皮娅·沙迪克说：“从样品制备到数据分析，我们与PNNL，美国陆军研究实验室和马里兰大学密切合作。” “作为一名年轻的科学家，我学到了很多有关进行实验和与其他团队交流的知识，特别是因为这是一个具有挑战性的话题。”
胡恩元补充说：“通过结合年轻科学家的野心，高级科学家的智慧以及团队的耐心和韧性，这项工作才得以实现。”
除机构之间的团队合作外，布鲁克海文实验室化学部门与NSLS-II之间的团队合作继续推动新的研究结果和能力。
Ghose说：“化学部门的电池组致力于解决电池领域中的各种问题。他们与阴极，阳极和电解质一起工作，并且继续带来XPD新问题来解决和挑战研究的样品。” “这很令人兴奋，但是它也帮助我开发了供其他研究人员在我的光束线上使用的方法。目前，我们正在开发原位运行和操作实验的功能，以便研究人员可以更高的空间分辨率扫描整个电池因为电池正在循环。”
科学家们将继续在布鲁克黑文实验室部门，其他国家实验室和大学之间进行电池研究。他们说，这项研究的结果将为锂金属阳极提供急需的实用指导，从而推动对该有前途的材料的研究。
