Raziskovalci v Nacionalnem laboratoriju Argonne pri ameriškem ministrstvu 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 poganja Chevrolet Bolt.
Raziskovalci iz Argonneja so dosegli še en preboj na področju NMC katod. Nova struktura drobnih katodnih delcev, ki jo je razvila ekipa, bi lahko baterijo naredila bolj trpežno in varnejšo, saj bi jo lahko uporabili pri zelo visokih napetostih in zagotovili daljši doseg.
»Zdaj imamo smernice, ki jih lahko proizvajalci baterij uporabijo za izdelavo visokotlačnih katodnih materialov brez robov,« je dejal Khalil Amin, zaslužni član Argonne.
»Obstoječe NMC katode predstavljajo veliko oviro za delo z visoko napetostjo,« je dejal pomočnik kemika Guiliang Xu. Pri cikličnem polnjenju in praznjenju se zmogljivost hitro zmanjša zaradi nastanka razpok v delcih katode. Raziskovalci baterij že desetletja iščejo načine za popravilo teh razpok.
Ena od metod je v preteklosti uporabljala drobne sferične delce, sestavljene iz mnogih veliko manjših delcev. Veliki sferični delci so polikristalni, s kristalnimi domenami različnih orientacij. Posledično imajo med delci tisto, kar znanstveniki imenujejo meje zrn, kar lahko povzroči, da baterija med ciklom poči. Da bi to preprečili, so Xu in Argonnejevi kolegi predhodno razvili zaščitni polimerni premaz okoli vsakega delca. Ta premaz obdaja velike sferične delce in manjše delce v njih.
Drug način, da se izognemo tej vrsti razpok, je uporaba monokristalnih delcev. Elektronska mikroskopija teh delcev je pokazala, da nimajo meja.
Problem za ekipo je bil, da so katode, izdelane iz prevlečenih polikristalov in monokristalov, med cikliranjem še vedno razpokale. Zato so izvedli obsežno analizo teh katodnih materialov v Centru za napredni fotonski vir (APS) in Centru za nanomateriale (CNM) v Znanstvenem centru Argonne pri ameriškem ministrstvu za energijo.
Na petih vejah APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C in 34-ID-E) so bile opravljene različne rentgenske analize. Izkazalo se je, da je tisto, kar so znanstveniki mislili, da je monokristal, kot je pokazala elektronska in rentgenska mikroskopija, dejansko imelo notranjo mejo. Vrstična in transmisijska elektronska mikroskopija CNM sta potrdili ta sklep.
»Ko smo pogledali površinsko morfologijo teh delcev, so bili videti kot monokristali,« 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。”"Vendar pa smo pri APS, ko smo uporabili tehniko, imenovano sinhrotronska rentgenska difrakcijska mikroskopija, in druge tehnike, ugotovili, da so meje skrite v notranjosti."
Pomembno je, da je ekipa razvila metodo za proizvodnjo monokristalov brez meja. Testiranje majhnih celic s to monokristalno katodo pri zelo visokih napetostih je pokazalo 25-odstotno povečanje shranjevanja energije na enoto prostornine praktično brez izgube zmogljivosti v 100 testnih ciklih. Nasprotno pa so NMC katode, sestavljene iz večplastnih monokristalov ali prevlečenih polikristalov, pokazale padec kapacitete za 60 % do 88 % v isti življenjski dobi.
Izračuni na atomski ravni razkrivajo mehanizem zmanjšanja kapacitivnosti katode. Po besedah ​​Marie Chang, nanoznanstvenice na CNM, je večja verjetnost, da bodo meje izgubile atome kisika, ko se baterija polni, kot območja, ki so bolj oddaljena od njih. Ta izguba kisika vodi do degradacije celičnega cikla.
»Naši izračuni kažejo, kako lahko meja pri visokem tlaku povzroči sproščanje kisika, kar lahko zmanjša učinkovitost,« je dejal Chan.
Odprava meje preprečuje sproščanje kisika, s čimer se izboljša varnost in ciklična stabilnost katode. Meritve sproščanja kisika z APS in naprednim svetlobnim virom v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley pri ameriškem ministrstvu za energijo potrjujejo ta sklep.
»Zdaj imamo smernice, ki jih lahko proizvajalci baterij uporabijo za izdelavo katodnih materialov, ki nimajo meja in delujejo pri visokem tlaku,« je dejal Khalil Amin, zaslužni član 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 bi morale 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 avtorji Argonne 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 za nanotehnologijo pri ameriškem ministrstvu za energetiko, je vodilna nacionalna uporabniška institucija za interdisciplinarne raziskave nanometrskega obsega, ki jo podpira Urad za znanost ameriškega ministrstva za energetiko. NSRC skupaj tvorijo niz dopolnilnih objektov, ki raziskovalcem zagotavljajo najsodobnejše zmogljivosti za izdelavo, obdelavo, karakterizacijo in modeliranje nanomaterialov ter predstavljajo največjo infrastrukturno naložbo v okviru Nacionalne pobude za nanotehnologijo. NSRC se nahaja v nacionalnih laboratorijih ameriškega ministrstva za energetiko v Argonneju, Brookhavnu, Lawrence 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​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
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 na področju znanosti o materialih, kemije, fizike kondenzirane snovi, znanosti o življenju in okolju ter uporabnih raziskav. Ti rentgenski žarki so idealni za preučevanje materialov in bioloških struktur, porazdelitve elementov, kemijskih, 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. To je osnova zdravja. Vsako leto več kot 5000 raziskovalcev uporablja APS za objavo več kot 2000 publikacij, ki podrobno opisujejo pomembna odkritja in reševanje pomembnejših bioloških beljakovinskih struktur kot uporabniki katerega koli drugega centra za rentgenske raziskave. Znanstveniki in inženirji APS uvajajo inovativne tehnologije, ki so osnova za izboljšanje delovanja pospeševalnikov in svetlobnih virov. To vključuje vhodne naprave, ki proizvajajo izjemno svetle rentgenske žarke, ki jih cenijo raziskovalci, 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.
V tej študiji so bili uporabljeni viri iz programa Advanced Photon Source, uporabniškega centra Urada za znanost ameriškega ministrstva za energijo, ki ga upravlja Nacionalni laboratorij Argonne za Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo v skladu s pogodbo številka DE-AC02-06CH11357.
Nacionalni laboratorij Argonne si prizadeva reševati pereče probleme domače znanosti in tehnologije. Kot prvi nacionalni laboratorij v Združenih državah Amerike Argonne izvaja najsodobnejše temeljne in uporabne raziskave v praktično vseh znanstvenih disciplinah. Raziskovalci v Argonneu tesno sodelujejo z raziskovalci iz stotin podjetij, univerz ter zveznih, državnih in občinskih agencij, da bi jim pomagali reševati specifične probleme, spodbujati vodstvo ZDA v znanosti in pripraviti narod na boljšo prihodnost. Argonne zaposluje ljudi iz več kot 60 držav in ga upravlja UChicago Argonne, LLC, ki je del Urada za znanost ameriškega ministrstva za energijo.
Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo je največji ameriški podpornik temeljnih raziskav na področju fizikalnih znanosti in si prizadeva za reševanje nekaterih najbolj perečih vprašanj našega časa. Za več informacij obiščite https://energy.gov/scienceience.