Battrey500, Battrey Masa Depan dengan Logam Lithium sebagai Anoda

Studi dari DOE / Brookhaven National Laboratory, menjelaskan Ahli kimia telah mengidentifikasi detail baru dari mekanisme reaksi yang terjadi pada baterai dengan anoda logam lithium. Penemuan ini merupakan langkah besar untuk mengembangkan baterai yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih murah untuk kendaraan listrik.

Membuat anoda logam lithium

Baterai lithium-ion konvensional dapat ditemukan di berbagai elektronik, dari smartphone hingga kendaraan listrik. Meskipun baterai lithium-ion telah memungkinkan penggunaan banyak teknologi secara luas, mereka masih menghadapi tantangan dalam memberi daya pada kendaraan listrik jarak jauh.

Untuk membuat baterai yang lebih cocok untuk kendaraan listrik, para peneliti di beberapa laboratorium nasional dan universitas yang disponsori DOE telah membentuk konsorsium yang disebut Battery500, yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Pacific Northwest (PNNL) DOE. Tujuan mereka adalah membuat sel baterai dengan kepadatan energi 500 watt jam (Wh) dan lebih dari dua kali lipat kepadatan energi baterai canggih saat ini. Untuk itu, konsorsium fokus pada baterai yang dibuat dengan anoda logam litium.

Dibandingkan dengan baterai lithium-ion yang paling sering menggunakan grafit sebagai anoda, baterai logam litium menggunakan logam litium sebagai anoda.

“Anoda logam litium adalah salah satu komponen kunci untuk memenuhi kepadatan energi yang diinginkan oleh Battery500,” kata ahli kimia Brookhaven Enyuan Hu, penulis utama studi tersebut. “Keuntungan mereka dua kali lipat. Pertama, kapasitas spesifiknya sangat tinggi; kedua, mereka menyediakan baterai bertegangan agak lebih tinggi. Kombinasi tersebut mengarah pada kepadatan energi yang lebih besar.”

Para ilmuwan telah lama mengetahui keunggulan anoda logam litium; faktanya, mereka adalah anoda pertama yang digabungkan dengan katoda. Tetapi karena kurangnya “reversibilitas”, kemampuan untuk diisi ulang melalui reaksi elektrokimia yang dapat dibalik, komunitas baterai pada akhirnya mengganti anoda logam litium dengan anoda grafit, menciptakan baterai lithium-ion.

Sekarang, dengan kemajuan puluhan tahun yang dibuat, para peneliti yakin mereka dapat membuat anoda logam litium dapat reversibel, melebihi batas baterai lithium-ion. Kuncinya adalah interfase, lapisan material padat yang terbentuk pada elektroda baterai selama reaksi elektrokimia.

“Jika kami dapat sepenuhnya memahami interfase, kami dapat memberikan panduan penting tentang desain material dan membuat anoda logam litium dapat dibalik,” kata Hu. “Namun memahami interfase cukup menjadi tantangan karena merupakan lapisan yang sangat tipis dengan ketebalan hanya beberapa nanometer. Ia juga sangat sensitif terhadap udara dan kelembapan, membuat penanganan sampel menjadi sangat rumit.”

Memvisualisasikan interfase di NSLS-II
Untuk menavigasi tantangan ini dan “melihat” susunan kimiawi dan struktur interfase, para peneliti beralih ke National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE di Brookhaven yang menghasilkan sinar-X ultrabright untuk belajar. sifat material pada skala atom.

“Fluks tinggi NSLS-II memungkinkan kami untuk melihat jumlah sampel yang sangat kecil dan masih menghasilkan data berkualitas sangat tinggi,” kata Hu.

Di luar kemampuan canggih NSLS-II secara keseluruhan, tim peneliti perlu menggunakan beamline (stasiun eksperimental) yang mampu menyelidiki semua komponen interfase, termasuk fase kristal dan amorf, dengan energi tinggi (panjang gelombang pendek) x -rays. Garis sinar tersebut adalah garis sinar X-ray Powder Diffraction (XPD).

“Tim kimia mengambil keuntungan dari pendekatan multimodal di XPD, menggunakan dua teknik berbeda yang ditawarkan oleh beamline, x-ray difraksi (XRD) dan analisis fungsi distribusi pasangan (PDF),” kata Sanjit Ghose, ilmuwan lead beamline di XPD. “XRD dapat mempelajari fase kristal, sedangkan PDF dapat mempelajari fase amorf.”

Analisis XRD dan PDF mengungkapkan hasil yang menarik: keberadaan litium hidrida (LiH) di interfase. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah memperdebatkan apakah LiH ada di interfase, meninggalkan ketidakpastian di sekitar mekanisme reaksi fundamental yang membentuk interfase tersebut.

“Saat pertama kali melihat keberadaan LiH, kami sangat gembira karena ini pertama kalinya LiH terbukti ada di interfase menggunakan teknik dengan keandalan statistik. Tapi kami juga berhati-hati karena orang sudah lama meragukannya. , “Kata Hu.

Rekan penulis Xiao-Qing Yang, seorang fisikawan di Divisi Kimia Brookhaven, menambahkan, “LiH dan lithium fluoride (LiF) memiliki struktur kristal yang sangat mirip. Klaim kami tentang LiH dapat ditentang oleh orang-orang yang percaya bahwa kami salah mengidentifikasi LiF sebagai LiH.”

Mengingat kontroversi seputar penelitian ini, serta tantangan teknis yang membedakan LiH dari LiF, tim peneliti memutuskan untuk memberikan banyak bukti keberadaan LiH, termasuk eksperimen paparan udara.

“LiF adalah udara stabil, sedangkan LiH tidak,” kata Yang. “Jika kita memaparkan interfase ke udara dengan kelembaban, dan jika jumlah senyawa yang diselidiki menurun seiring waktu, itu akan mengkonfirmasi bahwa kita memang melihat LiH, bukan LiF. Dan itulah yang terjadi. Karena LiH dan LiF sulit untuk dibedakan dan percobaan paparan udara belum pernah dilakukan sebelumnya, sangat mungkin bahwa LiH telah salah diidentifikasi sebagai LiF, atau tidak diamati karena reaksi dekomposisi LiH dengan kelembaban, dalam banyak laporan literatur. “

Yang melanjutkan, “Preparasi sampel yang dilakukan di PNNL sangat penting untuk pekerjaan ini. Kami juga menduga bahwa banyak orang tidak dapat mengidentifikasi LiH karena sampel mereka telah terpapar kelembapan sebelum eksperimen. Jika Anda tidak mengumpulkan sampel, tutuplah, dan mengirimkannya dengan benar, Anda ketinggalan. “

Selain mengidentifikasi keberadaan LiH, tim juga memecahkan teka-teki lama lainnya yang berpusat di sekitar LiF. LiF telah dianggap sebagai komponen yang disukai dalam interfase, tetapi tidak sepenuhnya dipahami mengapa. Tim mengidentifikasi perbedaan struktural antara LiF di interfase dan LiF dalam jumlah besar, dengan LiF yang memfasilitasi transportasi ion lithium antara anoda dan katoda.

“Dari persiapan sampel hingga analisis data, kami berkolaborasi erat dengan PNNL, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS, dan Universitas Maryland,” kata ahli kimia Brookhaven Zulipiya Shadike, penulis pertama studi tersebut. “Sebagai ilmuwan muda, saya belajar banyak tentang melakukan eksperimen dan berkomunikasi dengan tim lain, terutama karena ini adalah topik yang menantang.”

“Kelompok baterai di Divisi Kimia mengerjakan berbagai masalah di bidang baterai. Mereka bekerja dengan katoda, anoda, dan elektrolit, dan mereka terus membawa masalah baru XPD untuk dipecahkan dan menantang sampel untuk dipelajari,” kata Ghose. “Menarik untuk menjadi bagiannya, tetapi juga membantu saya mengembangkan metodologi untuk digunakan oleh peneliti lain di beamline saya. Saat ini, kami sedang mengembangkan kemampuan untuk menjalankan eksperimen in situ dan operando, sehingga peneliti dapat memindai seluruh baterai dengan resolusi spasial yang lebih tinggi. saat baterai berputar. “

Jurnal Referensi:

• Zulipiya Shadike, Oleg Borodin, Xia Cao, Hongkyung Lee, Sanjit Ghose, Xuelong Wang, Ruoqian Lin, Xiulin Fan, Chunsheng Wang, Seong-Min Bak, Jun Liu, Jie Xiao, Kang Xu, Xiao-Qing Yang, Enyuan Hu. 2021. Identification of LiH and nanocrystalline LiF in the solid–electrolyte interphase of lithium metal anodes. 2021. Nature Nanotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41565-020-00845-5