Istraživači Nacionalnog laboratorija Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) imaju dugu povijest pionirskih otkrića na polju litij-ionskih baterija. Mnogi od ovih rezultata odnose se na katodu baterije, zvanu NMC, nikal mangan i kobaltov oksid. Baterija s ovom katodom sada napaja Chevrolet Bolt.
Istraživači Argonnea postigli su još jedno otkriće u NMC katodama. Nova struktura sićušne čestice katode ovog tima mogla bi učiniti bateriju izdržljivijom i sigurnijom, sposobnom raditi na vrlo visokim naponima i pružiti duži domet putovanja.
"Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu visokotlačnih katodnih materijala bez rubova", Khalil Amin, Argonne Fellow Fellow.
"Postojeće NMC katode predstavljaju veliku prepreku za rad na visokom naponu", rekao je pomoćni kemičar Guiliang Xu. S ciklusima punjenja i pražnjenja, performanse brzo opadaju zbog stvaranja pukotina u česticama katode. Desetljećima su istraživači baterija tražili načine za popravak ovih pukotina.
Jedna metoda u prošlosti koristila je sićušne sferne čestice sastavljene od mnogo manjih čestica. Velike kuglaste čestice su polikristalne, s kristalnim domenama različitih orijentacija. Kao rezultat toga, imaju ono što znanstvenici nazivaju granicama zrna između čestica, što može uzrokovati pucanje baterije tijekom ciklusa. Kako bi to spriječili, Xu i Argonneovi kolege su prethodno razvili zaštitni polimerni premaz oko svake čestice. Ovaj premaz okružuje velike sferne čestice i manje čestice unutar njih.
Drugi način da se izbjegne ovakva vrsta pucanja je korištenje monokristalnih čestica. Elektronska mikroskopija ovih čestica pokazala je da one nemaju granica.
Problem za tim bio je taj što su katode izrađene od obloženih polikristala i monokristala još uvijek pucale tijekom ciklusa. Stoga su proveli opsežnu analizu ovih katodnih materijala u Advanced Photon Source (APS) i Centru za nanomaterijale (CNM) pri američkom Ministarstvu energetike Argonne Science Center.
Različite rendgenske analize provedene su na pet krakova APS-a (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Ispostavilo se da je ono za što su znanstvenici mislili da je monokristal, kao što je pokazano elektronskom i rendgenskom mikroskopijom, zapravo imalo unutarnju granicu. Skenirajuća i transmisijska elektronska mikroskopija CNM potvrdila je ovaj zaključak.
"Kada smo pogledali površinsku morfologiju ovih čestica, izgledale su kao pojedinačni kristali", rekao je fizičar 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。”"Međutim, kada smo upotrijebili tehniku ​​koja se zove sinkrotronska rendgenska difrakcijska mikroskopija i druge tehnike u APS-u, otkrili smo da su granice skrivene unutra."
Važno je napomenuti da je tim razvio metodu za proizvodnju pojedinačnih kristala bez granica. Ispitivanje malih ćelija s ovom jednokristalnom katodom pri vrlo visokim naponima pokazalo je 25% povećanje pohrane energije po jedinici volumena bez gotovo ikakvog gubitka u performansama tijekom 100 ispitnih ciklusa. Nasuprot tome, NMC katode sastavljene od monokristala s višestrukim sučeljem ili obloženih polikristala pokazale su pad kapaciteta od 60% do 88% tijekom istog životnog vijeka.
Izračuni na atomskoj razini otkrivaju mehanizam smanjenja kapacitivnosti katode. Prema Marii Chang, nanoznanstvenici iz CNM-a, veća je vjerojatnost da će granice izgubiti atome kisika kada se baterija puni nego područja udaljenija od njih. Taj gubitak kisika dovodi do degradacije staničnog ciklusa.
"Naši izračuni pokazuju kako granica može dovesti do oslobađanja kisika pod visokim tlakom, što može dovesti do smanjene učinkovitosti", rekao je Chan.
Uklanjanje granice sprječava razvijanje kisika, čime se poboljšava sigurnost i ciklička stabilnost katode. Mjerenja razvoja kisika s APS-om i naprednim izvorom svjetlosti u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley Ministarstva energetike SAD-a potvrđuju ovaj zaključak.
"Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala koji nemaju granica i rade pod visokim tlakom", rekao je Khalil Amin, Argonne Fellow Fellow. 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。”"Smjernice bi se trebale primjenjivati ​​na katodne materijale koji nisu NMC."
Članak o ovoj studiji pojavio se u časopisu Nature Energy. Osim Xua, Amina, Liua i Changa, argonski autori su 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 i Zonghai Chen. Znanstvenici s Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Sveučilišta Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang i Shi-Gang Sun) i Sveučilišta Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng i Mingao Ouyang).
O Argonne Centru za nanomaterijale Centar za nanomaterijale, jedan od pet istraživačkih centara za nanotehnologiju Ministarstva energetike SAD-a, glavna je nacionalna korisnička institucija za interdisciplinarna istraživanja na nanomaterijalima koju podržava Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a. Zajedno, NSRC-ovi čine skup komplementarnih objekata koji istraživačima pružaju najsuvremenije mogućnosti za izradu, obradu, karakterizaciju i modeliranje materijala u nanorazmjeru i predstavljaju najveće infrastrukturno ulaganje u okviru Nacionalne nanotehnološke inicijative. NSRC se nalazi u nacionalnim laboratorijima Ministarstva energetike SAD-a u Argonneu, Brookhavenu, Lawrence Berkeleyju, Oak Ridgeu, Sandiji i Los Alamosu. Za više informacija o NSRC DOE, posjetite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​Fa​c​i​l​it​ie​ie​ie​s​-na​-a​Pogled.
Napredni fotonski izvor (APS) Ministarstva energetike SAD-a u Nacionalnom laboratoriju Argonne jedan je od najproduktivnijih izvora X-zraka na svijetu. APS pruža rendgenske zrake visokog intenziteta raznolikoj istraživačkoj zajednici u znanosti o materijalima, kemiji, fizici kondenzirane tvari, znanosti o životu i okolišu te primijenjenim istraživanjima. Ove X-zrake idealne su za proučavanje materijala i bioloških struktura, distribucije elemenata, kemijskih, magnetskih i elektroničkih stanja i tehnički važnih inženjerskih sustava svih vrsta, od baterija do mlaznica za ubrizgavanje goriva, koji su vitalni za naše nacionalno gospodarstvo, tehnologiju . i tijelo Osnova zdravlja. Svake godine više od 5000 istraživača koristi APS za objavljivanje više od 2000 publikacija s detaljima važnih otkrića i rješavanjem važnijih bioloških proteinskih struktura od korisnika bilo kojeg drugog centra za istraživanje X-zraka. APS znanstvenici i inženjeri implementiraju inovativne tehnologije koje su osnova za poboljšanje performansi akceleratora i izvora svjetlosti. To uključuje ulazne uređaje koji proizvode iznimno svijetle X-zrake koje cijene istraživači, leće koje fokusiraju X-zrake do nekoliko nanometara, instrumente koji maksimiziraju način na koji X-zrake komuniciraju s uzorkom koji se proučava te prikupljanje i upravljanje APS otkrićima Istraživanje stvara ogromne količine podataka.
Ova studija koristila je resurse Advanced Photon Sourcea, korisničkog centra Ureda za znanost Ministarstva energetike Sjedinjenih Američkih Država kojim upravlja Nacionalni laboratorij Argonne za Ured za znanost Ministarstva energetike Sjedinjenih Američkih Država pod brojem ugovora DE-AC02-06CH11357.
Nacionalni laboratorij Argonne nastoji riješiti goruće probleme domaće znanosti i tehnologije. Kao prvi nacionalni laboratorij u Sjedinjenim Državama, Argonne provodi vrhunska osnovna i primijenjena istraživanja u gotovo svim znanstvenim disciplinama. Argonne istraživači blisko surađuju sa istraživačima iz stotina kompanija, sveučilišta i saveznih, državnih i općinskih agencija kako bi im pomogli u rješavanju specifičnih problema, unaprijedili američko znanstveno vodstvo i pripremili naciju za bolju budućnost. Argonne zapošljava zaposlenike iz više od 60 zemalja, a njime upravlja UChicago Argonne, LLC Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD-a.
Ured za znanost američkog Ministarstva energetike najveći je nacionalni zagovornik temeljnih istraživanja u fizičkim znanostima, radeći na rješavanju nekih od najhitnijih problema našeg vremena. Za više informacija posjetite https://​energy​.gov/​science​ience.