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（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的一组研究人员确定了有关锂金属阳极电池内部反应机制的新细节，该项研究结果是朝着研发出尺寸更小、重量更轻、更便宜的电动汽车电池迈出的重要一步。

布鲁克海文国家实验室电池研究人员（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

重造锂金属阳极

智能手机、电动汽车等各种电子设备中都能找到传统锂离子电池，虽然锂离子电池使很多技术得到了广泛应用，但其在为电动汽车长距离行驶提供动力方面仍面临着挑战。

为了打造更适合电动汽车的电池，美国DOE太平洋西北国家实验室（PNNL）牵头的多个美国国家实验室以及获DOE资助的大学研究人员一起成立了一个名为Battery500的联盟，目标是打造能量密度为500Wh/kg的电池电芯，即能量密度是当今最先进电池的两倍。为此，该联盟正重点关注由锂金属阳极制成的电池。

与大多采用石墨为阳极的锂离子电池相比，锂金属电池采用锂金属为阳极。研究人员表示：“锂金属阳极是满足Battery500能量密度目标的关键因素之一，优点在于其能量密度是现有电池的两倍。其一，此种阳极的比容量很高；其二，可实现电压更高的电池，二者结合就可以实现更高的能量密度。”

科学家们很早就认识到了锂金属阳极的优点；事实上，锂金属阳极是首个与电池阴极耦合的阳极。但是由于此种阳极缺乏“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，打造了锂离子电池。

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，即电化学反应过程中电池电极上形成的固体材料层。

研究人员表示：“如果我们能够完全了解该种界面，就能够为材料设计和打造可逆的锂金属阳极提供重要指导。但是，了解该种界面是一项相当大的挑战，因为其是一种非常薄的材料层，只有几纳米厚，而且对空气和湿度也很敏感，因此处理此种样品非常棘手。”

在NSLS-II将此种界面实现可视化

为了应对上述挑战，“看到”该界面的化学构成和结构，研究人员采用了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 （NSLS-II），以产生超亮的X射线从原子尺度来研究该界面的材料特性。

除了利用NSLS-II的先进能力之外，该研究小组还需要利用一个能够探测该界面所有成分的波束线（实验站），用高能（短波长）X射线探测晶体相以及非晶相。该波束线即是X射线粉末衍射（XPD）的波束线。

研究人员表示：“化学团队采用了XPD的多模态方法，利用了波束线提供的两种不同技术，X射线衍射（XRD）和对分布函数（PDF）分析。XRD能够研究晶体相，而PDF能够研究非晶相。”

XRD和PDF分析揭示了令人欣喜的结果：界面内存在锂氢化物（LiH）。几十年来，科学家们一直在争论是否界面内存在LiH，从而给形成界面的基本反应机制造成了不确定性。

研究人员表示：“LiH和氟化锂（LiF）有着非常相似的晶体结构，我们提出发现LiH的说法受到了一些人的质疑，他们认为我们错把LiF认作了LiH。”

考虑到该项研究涉及的争议，以及区分LiH与LiF所面临的技术挑战，该研究小组决定为LiH的存在提供多条证据，包括进行空气暴露实验。

研究人员表示：“LiF在空气中是稳定的，LiH则不然。如果我们将该界面暴露在潮湿的空气中，如果该化合物的含量随着时间的推移而减少，就可以证实我们确实看到的是LiH，而不是LiF，而事实确实如此。由于很难区分LiH和LiF，而且之前从未进行过空气暴露实验，在很多文献报道中，是很有可能错把LiH认作LiF，或者由于LiH在潮湿环境中的分解反应而未被观察到。”

研究人员继续说道：“在PNNL完成的样品制备工作对于该项研究至关重要，我们也怀疑很多人无法识别LiH是因为他们的样品在进行实验之前就被暴露在潮湿的环境中。如果不收集样品，密封样品，正确运输样品，可能就会错过LiH。”

除了确认LiH的存在，该团队还解决了另一个围绕LiF的长期谜题。LiF一直被认为是界面的有利成分，但是一直没有人完全了解原因何在。该团队确定了界面内LiF以及大部分LiF本身存在的结构差异，发现前者可以促进锂离子在阳极和阴极之间传输。

目前，布鲁克海文国家实验室、其他国家实验室以及各大学的电池研究科学家们还在继续合作。研究人员表示，该项研究成果将能够为锂金属阳极提供急需的实用指导，推动此种有发展前景材料的研究向前发展。