Raziskovalci ameriškega ministrstva za energijo (DOE) Nacionalni laboratorij Argonne imajo dolgo zgodovino pionirskih odkritij na področju litij-ionskih baterij. Mnogi od teh rezultatov so za katodo akumulatorja, imenovano NMC, nikelj mangan in kobaltni oksid. Baterija s to katodo zdaj poganja vijak Chevrolet.
Argonne Raziskovalci so dosegli še en preboj v katodah NMC. Nova majhna majhna struktura delcev katode bi lahko baterija postala bolj trpežna in varnejša, saj lahko deluje pri zelo visokih napetostih in zagotavlja daljše potovalne razpone.
"Zdaj imamo napotke, ki jih lahko proizvajalci baterij uporabijo za izdelavo visokotlačnih, brezmejnih katodnih materialov," Khalil Amin, Argonne kolega emeritus.
"Obstoječe katode NMC predstavljajo veliko oviro za visokonapetostno delo," je dejal pomočnik kemika Guiliang Xu. S kolesarjenjem z odplačevanjem naboja uspešnost hitro pade zaradi nastajanja razpok v katodnih delcih. Raziskovalci baterij že desetletja iščejo načine za popravilo teh razpok.
Ena metoda v preteklosti je uporabljala drobne sferične delce, sestavljena iz številnih veliko manjših delcev. Veliki sferični delci so polikristalni, s kristalnimi domenami različnih orientacij. Kot rezultat, imajo tisto, kar znanstveniki imenujejo meje zrnja med delci, zaradi česar lahko baterija med ciklom poči. Da bi to preprečili, so kolegi Xu in Argonne že pred tem razvili zaščitni polimerni premaz okoli vsakega delca. Ta prevleka obdaja velike sferične delce in manjše delce v njih.
Drug način, kako se izogniti tovrstnemu razpoku, je uporaba posameznih kristalnih delcev. Elektronska mikroskopija teh delcev je pokazala, da nimajo meja.
Težava za ekipo je bila v tem, da so katode, narejene iz prevlečenih polikristalov in posameznih kristalov, med kolesarjenjem še vedno razpokane. Zato so izvedli obsežno analizo teh katodnih materialov na naprednem viru fotona (APS) in Centru za nanomateriale (CNM) v znanstvenem centru za Argonne Ministrstva za energijo ZDA.
Različne rentgenske analize so bile izvedene na petih APS orožjih (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 kažeta elektrona in rentgenska mikroskopija, v notranjosti dejansko mejo. Skeniranje in prenosna 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 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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 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 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， ， 我们 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。""Ko pa smo uporabili tehniko, imenovano Synchrotron rentgenska difrakcijska mikroskopija in druge tehnike pri APS, smo ugotovili, da so meje skrite v notranjosti."
Pomembno je, da je ekipa razvila metodo za proizvodnjo posameznih kristalov brez meja. Testiranje majhnih celic s to enokristalno katodo pri zelo visoki napetosti je pokazalo 25-odstotno povečanje shranjevanja energije na enoto prostornine, pri čemer skoraj ni izgube v zmogljivosti nad 100 preskusnih ciklih. V nasprotju s tem so NMC katode, sestavljene iz več-vmesnih enojnih kristalov ali prevlečenih polikristalov, v isti življenjski dobi pokazale padec zmogljivosti od 60% do 88%.
Izračuni atomske lestvice razkrivajo mehanizem zmanjšanja katodne kapacitivnosti. Po Maria Chang, nanoznanstvenici na CNM, bolj verjetno, da bodo meje izgubile atome kisika, ko se baterija napolni kot območja, ki so oddaljena od njih. Ta izguba kisika vodi v razgradnjo celičnega cikla.
"Naši izračuni kažejo, kako lahko meja privede do sproščanja kisika pri visokem tlaku, kar lahko privede do zmanjšanja zmogljivosti," je dejal Chan.
Odpravljanje meje preprečuje evolucijo kisika in s tem izboljša varnost in ciklično stabilnost katode. Meritve evolucije kisika z AP -ji in napredni vir svetlobe v Nacionalnem laboratoriju za ameriško ministrstvo za energijo Lawrence Berkeley potrjujejo ta sklep.
"Zdaj imamo smernice, ki jih lahko proizvajalci baterij uporabijo za izdelavo katodnih materialov, ki nimajo meja in delujejo pod visokim pritiskom," je dejal Khalil Amin, Argonne kolega Emeritus. 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 bi morale veljati za katodne materiale, ki niso NMC."
Članek o tej študiji se je pojavil v reviji Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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 (oboževalec Jing-Jing, Ling Huang in Shi-Gang Sun) in univerze Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng in Mingao Ouyang).
O Centru Argonne za nanomateriale Center za nanomateriale, eden od petih ameriških ministrskih raziskovalnih centrov za energetsko nanotehnologijo, je najpomembnejša nacionalna uporabniška institucija za interdisciplinarno raziskovanje nanoskalnih nanoscal, ki jih podpira ameriško ministrstvo za energetsko znanost. NSRC skupaj tvorijo nabor komplementarnih zmogljivosti, ki raziskovalcem zagotavljajo najsodobnejše zmogljivosti za izdelavo, obdelavo, karakterizacijo in modeliranje gradiva nanoserov ter predstavljajo največjo naložbo v infrastrukturo v okviru Nacionalne pobude za nanotehnologijo. NSRC se nahaja v ameriškem ministrstvu za energetsko nacionalno laboratoriji v Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia in Los Alamos. Če želite več informacij o NSRC DOE, obiščite https: // znanost .osti .gov/nas er-f a c i lit ie s/nas er-f a c i l it ie ie s-na -a pogled.
Napredni fotonski vir ameriškega ministrstva za energijo (APS) v Nacionalnem laboratoriju Argonne je eden najbolj produktivnih rentgenskih virov na svetu. APS zagotavlja visokointenzivne rentgenske žarke raznoliki raziskovalni skupnosti na področju znanosti o materialih, kemiji, kondenzirani fiziki, življenjskih in okoljskih znanostih ter uporabnih raziskavah. Ti rentgenski žarki so idealni za preučevanje materialov in bioloških struktur, porazdelitev elementov, kemična, magnetna in elektronska stanja ter tehnično pomembne inženirske sisteme vseh vrst, od baterij do šob za injektor, ki so ključnega pomena za naše nacionalno gospodarstvo, tehnologijo. in telo osnova za zdravje. Vsako leto več kot 5000 raziskovalcev uporablja APS za objavo več kot 2000 publikacij, v katerih podrobno opisuje pomembna odkritja in rešuje pomembnejše biološke strukture beljakovin kot uporabniki katerega koli drugega rentgenskega raziskovalnega centra. Znanstveniki in inženirji APS izvajajo inovativne tehnologije, ki so osnova za izboljšanje učinkovitosti pospeševalnikov in svetlobnih virov. To vključuje vhodne naprave, ki proizvajajo izjemno svetle rentgenske žarke, ki jih cenijo raziskovalci, leče, ki se osredotočajo na rentgenske žarke na nekaj nanometrov, instrumente, ki maksimirajo način interakcije rentgenskih žarkov s preučenim vzorcem, zbiranje in upravljanje raziskav APS odkritja pa ustvarja ogromne količine podatkov.
Ta študija je uporabila vire Advanced Photon Vir, ameriškega ministrstva za energetski urad uporabniškega centra, ki ga je upravljal Nacionalni laboratorij Argonne za ameriško ministrstvo za energetsko urad pod pogodbo DE-AC02-06CH11357.
Nacionalni laboratorij Argonne si prizadeva za reševanje perečih problemov domače znanosti in tehnologije. Kot prvi nacionalni laboratorij v Združenih državah Amerike Argonne izvaja vrhunske osnovne in uporabne raziskave v skoraj vseh znanstvenih disciplini. Argonne Raziskovalci tesno sodelujejo z raziskovalci iz več sto podjetij, univerz ter zvezne, državne in občinske agencije, da bi jim pomagali rešiti posebne težave, napredovati v ZDA in pripravili narod za boljšo prihodnost. Argonne zaposluje zaposlene iz več kot 60 držav, upravlja pa ga Uchicago Argonne, LLC iz ameriškega ministrstva za energetsko znanost.
Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo je največji zagovornik osnovnih raziskav v fizikalnih znanostih, ki si prizadeva za reševanje nekaterih najbolj perečih vprašanj našega časa. Za več informacij obiščite https: // Energy .gov/znanost.