Raziskovalci Nacionalnega laboratorija Argonne ameriškega ministrstva za energijo (DOE) imajo dolgo zgodovino pionirskih odkritij na področju litij-ionskih baterij. Mnogi od teh rezultatov so za katodo baterije, imenovano NMC, nikelj-mangan in kobaltov oksid. Baterija s to katodo zdaj napaja Chevrolet Bolt.
Raziskovalci Argonne so dosegli še en preboj pri NMC katodah. Nova struktura drobnih katodnih delcev ekipe bi lahko naredila baterijo vzdržljivejšo in varnejšo, zmožno delovanja pri zelo visokih napetostih in zagotavljanja daljšega dosega.
"Zdaj imamo smernice, ki jih lahko proizvajalci baterij uporabijo za izdelavo visokotlačnih katodnih materialov brez robov," Khalil Amin, zaslužni sodelavec Argonne.
"Obstoječe NMC katode predstavljajo veliko oviro za visokonapetostno delo," je dejal pomočnik kemika Guiliang Xu. Pri cikličnem polnjenju in praznjenju zmogljivost hitro pade zaradi nastajanja razpok v katodnih delcih. Desetletja so raziskovalci baterij iskali načine za popravilo teh razpok.
Ena metoda v preteklosti je uporabljala drobne sferične delce, sestavljene iz številnih veliko manjših delcev. Veliki sferični delci so polikristalni, s kristalnimi domenami različnih orientacij. Posledično imajo to, kar znanstveniki imenujejo meje zrn med delci, kar lahko povzroči, da baterija med ciklom poči. Da bi to preprečili, so sodelavci Xu in Argonne predhodno razvili zaščitno polimerno prevleko okoli vsakega delca. Ta prevleka obdaja velike sferične delce in manjše delce v njih.
Drugi način, da se izognete tovrstnemu pokanju, je uporaba monokristalnih delcev. Elektronska mikroskopija teh delcev je pokazala, da nimajo meja.
Težava za ekipo je bila, da so katode iz prevlečenih polikristalov in monokristalov med kolesarjenjem še vedno pokale. Zato so izvedli obsežno analizo teh katodnih materialov v Advanced Photon Source (APS) in Centru za nanomateriale (CNM) v Argonne Science Center Ministrstva za energijo ZDA.
Različne rentgenske analize so bile izvedene na petih krakih APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C in 34-ID-E). Izkazalo se je, da je tisto, kar so znanstveniki mislili, da je en sam kristal, kot sta pokazala elektronska in rentgenska mikroskopija, dejansko imelo mejo znotraj. Skenirna in transmisijska elektronska mikroskopija CNM je potrdila ta sklep.
"Ko smo pogledali površinsko morfologijo teh delcev, so bili videti kot posamezni kristali," je dejal fizik Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我们发现边界隐藏在内部。” â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Ko pa smo pri APS uporabili tehniko, imenovano sinhrotronska rentgenska difrakcijska mikroskopija, in druge tehnike, smo ugotovili, da so meje skrite znotraj."
Pomembno je, da je ekipa razvila metodo za proizvodnjo monokristalov brez meja. Preizkušanje majhnih celic s to enokristalno katodo pri zelo visokih napetostih je pokazalo 25-odstotno povečanje shranjevanja energije na enoto prostornine s skoraj nobeno izgubo v zmogljivosti v 100 preskusnih ciklih. V nasprotju s tem so katode NMC, sestavljene iz monokristalov z več vmesniki ali prevlečenih polikristalov, pokazale padec zmogljivosti od 60 % do 88 % v isti življenjski dobi.
Izračuni na atomskem merilu razkrivajo mehanizem zmanjšanja katodne kapacitivnosti. Po mnenju Marie Chang, nanoznanstvenice pri CNM, obstaja večja verjetnost, da bodo meje izgubile atome kisika, ko je baterija napolnjena, kot območja, ki so bolj oddaljena od njih. Ta izguba kisika povzroči degradacijo celičnega cikla.
"Naši izračuni kažejo, kako lahko meja vodi do sproščanja kisika pri visokem tlaku, kar lahko privede do zmanjšane učinkovitosti," je dejal Chan.
Odprava meje prepreči nastajanje kisika in s tem izboljša varnost in ciklično stabilnost katode. Meritve razvoja kisika z APS in naprednim virom svetlobe v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley ameriškega ministrstva za energijo potrjujejo to ugotovitev.
"Zdaj imamo smernice, ki jih proizvajalci baterij lahko uporabijo za izdelavo katodnih materialov, ki nimajo meja in delujejo pri visokem tlaku," je dejal Khalil Amin, zaslužni sodelavec Argonne. â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。” â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。”"Smernice morajo veljati za katodne materiale, ki niso NMC."
Članek o tej študiji je bil objavljen v reviji Nature Energy. Poleg Xuja, Amina, Liuja in Changa so argonski avtorji Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du in Zonghai Chen. Znanstveniki iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li in Zengqing Zhuo), univerze Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang in Shi-Gang Sun) in univerze Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng in Mingao Ouyang).
O centru za nanomateriale Argonne Center za nanomateriale, eden od petih raziskovalnih centrov Ministrstva za energijo ameriškega ministrstva za nanotehnologijo, je glavna nacionalna uporabniška ustanova za interdisciplinarne raziskave nanomaterialov, ki jo podpira Urad za znanost Ministrstva za energijo ZDA. Skupaj NSRC tvorijo nabor komplementarnih zmogljivosti, ki raziskovalcem zagotavljajo najsodobnejše zmogljivosti za izdelavo, obdelavo, karakterizacijo in modeliranje materialov v nanometrskem merilu in predstavljajo največjo naložbo v infrastrukturo v okviru Nacionalne nanotehnološke pobude. NSRC se nahaja v Nacionalnih laboratorijih Ministrstva za energijo ZDA v Argonnu, Brookhavnu, Lawrenceu Berkeleyju, Oak Ridgeu, Sandii in Los Alamosu. Za več informacij o NSRC DOE obiščite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​Fa​c​i​l​it​ie​ie​s​-na​-a​Pogled.
Napredni fotonski vir (APS) ameriškega ministrstva za energijo v nacionalnem laboratoriju Argonne je eden najproduktivnejših virov rentgenskih žarkov na svetu. APS zagotavlja visokointenzivne rentgenske žarke raznoliki raziskovalni skupnosti v znanosti o materialih, kemiji, fiziki kondenzirane snovi, znanosti o življenju in okolju ter aplikativnih raziskavah. Ti rentgenski žarki so idealni za preučevanje materialov in bioloških struktur, porazdelitve elementov, kemičnih, magnetnih in elektronskih stanj ter tehnično pomembnih inženirskih sistemov vseh vrst, od baterij do šob za vbrizgavanje goriva, ki so ključnega pomena za naše nacionalno gospodarstvo, tehnologijo. . in telo Osnova zdravja. Vsako leto več kot 5.000 raziskovalcev uporablja APS za objavo več kot 2.000 publikacij s podrobnostmi o pomembnih odkritjih in reševanju pomembnejših bioloških beljakovinskih struktur kot uporabniki katerega koli drugega rentgenskega raziskovalnega centra. Znanstveniki in inženirji APS izvajajo inovativne tehnologije, ki so osnova za izboljšanje delovanja pospeševalnikov in svetlobnih virov. To vključuje vhodne naprave, ki proizvajajo izjemno svetle rentgenske žarke, ki jih raziskovalci cenijo, leče, ki fokusirajo rentgenske žarke do nekaj nanometrov, instrumente, ki maksimizirajo način interakcije rentgenskih žarkov s preučevanim vzorcem, ter zbiranje in upravljanje odkritij APS. Raziskave ustvarjajo ogromne količine podatkov.
Ta študija je uporabila vire Advanced Photon Source, uporabniškega centra Urada za znanost Ministrstva za energijo ZDA, ki ga upravlja Nacionalni laboratorij Argonne za Urad za znanost Ministrstva za energijo ZDA pod številko pogodbe DE-AC02-06CH11357.
Nacionalni laboratorij Argonne si prizadeva za reševanje perečih problemov domače znanosti in tehnologije. Argonne kot prvi nacionalni laboratorij v Združenih državah izvaja vrhunske osnovne in uporabne raziskave v skoraj vseh znanstvenih disciplinah. Raziskovalci Argonne tesno sodelujejo z raziskovalci iz stotin podjetij, univerz ter zveznih, državnih in občinskih agencij, da bi jim pomagali pri reševanju specifičnih problemov, napredovanju znanstvenega vodstva ZDA in pripravili državo na boljšo prihodnost. Argonne zaposluje zaposlene iz več kot 60 držav in ga upravlja UChicago Argonne, LLC Urada za znanost Ministrstva za energijo ZDA.
Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo je največji nacionalni zagovornik temeljnih raziskav v fizikalnih znanostih, ki se ukvarja z nekaterimi najbolj perečimi vprašanji našega časa. Za več informacij obiščite https://​energy​.gov/​science​ience.