东方时讯网世界各地的研究人员肩负着解除清洁能源革命瓶颈的使命：电池。从电动汽车到可再生电网规模的储能，电池是社会最重要的绿色创新的核心——但它们需要储存更多的能量才能使这些技术得到广泛应用和实用。
现在，由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)的化学家领导的一组科学家揭示了对提高能量密度至关重要的电池组件的复杂化学机制：界面。他们的工作今天发表在NatureNanotechnology上。
美国能源部的Battery500联盟专注于锂金属阳极
许多电子产品，包括智能手机甚至电动汽车，目前都依赖于传统的锂离子电池。虽然锂离子电池因其高效率和长寿命而变得普遍，但这些电池在更苛刻的应用中面临着挑战，例如为长距离电动汽车提供动力。
为了为电动汽车制造更好的电池，多个国家实验室和美国能源部赞助的大学的研究人员组成了一个名为Battery500的联盟。在PNNL的带领下，该联盟的目标是制造能量密度为每公斤500瓦时的电池——是当今最先进电池能量密度的两倍多。为此，该团队正专注于锂金属电池。锂离子电池依赖石墨阳极，而这些电池使用锂金属阳极。
锂金属阳极提供比石墨阳极高得多的能量密度，但需要权衡取舍。科学家目前面临的最大挑战之一是找到一种在电池充电和放电时稳定阳极的方法。
为了寻找这种方法，布鲁克海文实验室和PNNL的科学家对锂金属电池的固体电解质界面进行了深入研究。界面是在电池充电和放电时在阳极和电解质之间形成的化学层。科学家们了解到，中间相是稳定锂金属电池的关键，但它是一种非常敏感的样品，化学成分复杂，难以研究，因此难以完全理解。
“界面影响整个电池的循环性能。这是一个非常重要但难以捉摸的系统，”领导这项研究的布鲁克海文化学家胡恩元说。“许多技术会损坏这种小的、敏感的样品，它也有结晶和非晶相。”
科学界已经使用各种实验技术(包括冷冻电子显微镜)进行了许多研究，以更好地了解界面——但图片仍远未清晰和完整。
“对中间相的全面了解为建立有效的中间相奠定了基础，”PNNL科学家曹夏说，他共同领导了这项研究并领导了电解质的开发。“Battery500联盟强烈鼓励合作。我们一直与布鲁克海文实验室在许多科学项目上密切合作，尤其是了解界面。”
为了更深入地研究相间复杂而难以捉摸的化学反应，该团队转向了一种名为国家同步加速器光源II(NSLS-II)的独一无二的工具。
NSLS-II揭示了相间化学
NSLS-II是布鲁克海文实验室的美国能源部科学用户设施办公室，可生成超亮X射线，用于研究材料的原子级构成。多年来，Hu及其同事一直在利用NSLS-II的X射线粉末衍射(XPD)光束线的先进功能在电池化学领域取得新发现。在之前的成功基础上，该团队返回XPD以收集他们迄今为止关于相间最精确的发现。
“我们之前已经发现高能同步加速器X射线不会损坏相间样品，”胡说。“这非常重要，因为表征界面的最大挑战之一是样品对其他类型的辐射高度敏感，包括低能X射线。因此在这项工作中，我们利用了两种使用高能的技术X射线、X射线衍射和对分布函数分析，以捕获锂金属阳极界面中结晶相和非晶相的化学成分。”
在将锂金属电池循环50次并收集到足够的界面样品后，该团队将电池拆解，从锂金属表面刮下微量的界面粉末，并将XPD的高能X射线对准样品，揭示其复杂的化学。
“XPD是世界上为数不多的能够进行这项研究的光束线之一，”XPD首席光束线科学家兼该研究的合著者SanjitGhose说。“光束线为这项工作提供了三个优势：吸收截面小，对样品的损害较小;结合技术、X射线衍射获得实空间信息的相位信息和对分布函数;高强度光束用于从微量样本中提供质量数据。”
这种先进X射线技术的独特组合为团队提供了界面成分的详细化学图谱——它们的起源、功能、相互作用和演化。
“我们专注于间期的三个不同组成部分，”该论文的第一作者布鲁克海文博士后沙坦说。“首先是氢化锂及其形成机制。我们之前发现界面存在氢化锂，这次我们确定了氢源。”
具体来说，该团队确定了氢氧化锂，它天然存在于锂金属阳极中，很可能是氢化锂的贡献者。控制这种化合物的成分将有助于科学家设计出一种改进的中间相，使其具有尽可能高的性能。
“其次，我们研究了对电化学性能非常重要的氟化锂，发现它可以在低浓度电解质中大规模形成，”Tan说。
此前，科学家们认为，氟化锂只能在使用高浓度电解液的电解液中形成，而这依赖于昂贵的盐类。因此，这项工作提供的证据表明，更具成本效益的低浓度电解质可能在这些电池系统中表现良好。
“第三，我们研究了氢氧化锂，以了解它在电池循环过程中是如何消耗的。这些都是非常新的发现，对于理解中间相很重要，”Tan补充道。
结合起来，这些发现有助于阐明以前被忽视的界面组件，并将为锂金属电池实现更准确和可控的界面设计。
展望未来，该团队将继续为Battery500联盟贡献更多研究。Battery500目前处于第二阶段，将持续到2026年。