Istraživači američkog Ministarstva energetike (DOE) Nacionalni laboratorij Argonne imaju dugu povijest pionirskih otkrića na području litij-ionskih baterija. Mnogi od ovih rezultata namijenjeni su katodi baterije, nazvane NMC, nikl mangan i kobalt oksid. Baterija s ovom katodom sada pokreće Chevrolet Bolt.
Argonne istraživači postigli su još jedan proboj u NMC katodama. Nova sićušna struktura čestica katode može učiniti bateriju izdržljivijom i sigurnijom, u stanju raditi na vrlo visokim naponima i osigurati duže raspone putovanja.
"Sada imamo upute da proizvođači baterija mogu koristiti za izradu visokotlačnih, bez granica katodnih materijala", Khalil Amin, Emeritus Argonne.
"Postojeće NMC katode predstavljaju veliku prepreku za rad visokog napona", rekao je pomoćnik kemičara Guiliang Xu. S biciklizmom od naboja, performanse se brzo smanjuju zbog stvaranja pukotina u česticama katoda. Desetljećima su istraživači baterija tražili načine kako popraviti ove pukotine.
Jedna metoda u prošlosti koristila je sitne sferne čestice sastavljene od mnogo mnogo manjih čestica. Velike sferne čestice su polikristalne, s kristalnim domenama različitih orijentacija. Kao rezultat toga, oni imaju ono što znanstvenici nazivaju granicama zrna između čestica, što može uzrokovati pucanje baterije tijekom ciklusa. Da bi to spriječili, kolege Xu i Argonne prethodno su 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 pojedinačnih kristalnih čestica. Elektronska mikroskopija ovih čestica pokazala je da nemaju granice.
Problem tima bio je u tome što je katode napravljene od obloženih polikristala i pojedinačnih kristala još uvijek puknuti tijekom biciklizma. Stoga su proveli opsežnu analizu ovih katodnih materijala u naprednom izvoru fotona (APS) i Centru za nanomaterijal (CNM) u američkom odjelu za energetsku znanstvenu znanstvenu centru.
Različite analize rendgenskih zraka provedene su na pet APS ruku (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Ispada da je ono što su znanstvenici mislili da je jedan kristal, kao što pokazuje elektronska i rendgenska mikroskopija, zapravo je imao granicu. Skeniranje i prijenosni elektronska mikroskopija CNM -a potvrdila je ovaj zaključak.
"Kad smo pogledali površinsku morfologiju ovih čestica, izgledali su poput pojedinačnih kristala", rekao je fizičar Wenjun Liu.  <"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。" â� <"但是 ， 当 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 技术 和 和 时 时 ， 我们 发现 隐藏 隐藏 在。 在。 在。 在。 在。 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏""Međutim, kada smo koristili tehniku ​​nazvanu sinkrotronski rendgenski difrakcijska mikroskopija i druge tehnike na APS-u, otkrili smo da su granice skrivene iznutra."
Važno je 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 s gotovo bez gubitaka u performansama tijekom 100 testnih ciklusa. Suprotno tome, NMC katode sastavljene od više kristala s više sučelja ili obloženih polikristala pokazale su pad kapaciteta od 60% do 88% u istom vijeku.
Proračuni atomske skale otkrivaju mehanizam smanjenja katodne kapacitivnosti. Prema Mariji Chang, nanoznanstvenici u CNM -u, granice imaju veću vjerojatnost da će izgubiti atome kisika kada se baterija napuni od područja dalje od njih. Ovaj gubitak kisika dovodi do razgradnje staničnog ciklusa.
"Naši proračuni pokazuju kako granica može dovesti do oslobađanja kisika pod visokim tlakom, što može dovesti do smanjenih performansi", rekao je Chan.
Eliminiranje granice sprječava evoluciju kisika, poboljšavajući na taj način sigurnost i cikličku stabilnost katode. Mjerenja evolucije kisika s APS -om i napredni izvor svjetlosti u američkom Ministarstvu energetike Lawrence Berkeley Nacionalni laboratorij potvrđuju ovaj zaključak.
"Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala koji nemaju granice i raditi pod visokim pritiskom", rekao je Khalil Amin, Emeritus 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。""Smjernice bi se trebale primjenjivati ​​na katodne materijale osim NMC -a."
Članak o ovoj studiji pojavio se u časopisu 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, and Zongai Chen. Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Sveučilišta Xiamen (obožavatelj Jing-Jinga, Ling Huang i Shi-Gang Sun) i Sveučilišta Tsinghua (Dongsheng Ren, Xinging Feng i Mingao Ouyang).
O Argonne Centru za nanomaterijale Centar za nanomaterijal, jedan od pet američkih Odjela za nanotehnologiju nanotehnologije, vrhunska je nacionalna institucija korisnika za interdisciplinarno istraživanje nanoskalnog istraživanja koje je podržalo američko Ured znanosti Ministarstva energetike. Zajedno, NSRC-ovi tvore paket komplementarnih objekata koji istraživačima pružaju vrhunske mogućnosti za izradu, obradu, karakterizaciju i modeliranje nanoskalnih materijala i predstavljaju najveću infrastrukturno ulaganje u Nacionalnoj inicijativi za nanotehnologiju. NSRC se nalazi u američkom Ministarstvu energetskih laboratorija u Argonneu, Brookhavenu, Lawrenceu Berkeleyu, Oak Ridgeu, Sandia i Los Alamos. Za više informacija o NSRC DOE, posjetite https: // znanost .osti .gov/nas er-f a c i osvijetljen ie s/nas er-f a c i l it ie ie s-na -a pogleda.
Napredni izvori fotona (APS) američkog Ministarstva energetike u Nacionalnom laboratoriju Argonne jedan je od najproduktivnijih izvora rendgenskih zraka na svijetu. APS pruža rendgenske zrake visokog intenziteta raznolikoj istraživačkoj zajednici u znanosti o materijalima, kemiji, fizici kondenzirane materije, znanosti o životu i okolišu i primijenjenim istraživanjima. Ovi rendgenski zraci idealni su za proučavanje materijala i bioloških struktura, raspodjelu elemenata, kemijskih, magnetskih i elektroničkih stanja i tehnički važnih inženjerskih sustava svih vrsta, od baterija do mlaznica za ubrizgavanje, koje su od vitalne važnosti za našu nacionalnu ekonomiju, tehnologiju. i tijelo osnova zdravlja. Svake godine više od 5000 istraživača koristi APS za objavljivanje više od 2.000 publikacija u kojima se detaljno opisuju važna otkrića i rješavanje važnih bioloških struktura proteina od korisnika bilo kojeg drugog istraživačkog centra rendgenskih zraka. APS znanstvenici i inženjeri provode inovativne tehnologije koje su osnova za poboljšanje performansi akceleratora i izvora svjetla. To uključuje ulazne uređaje koji proizvode izuzetno svijetle rendgenske zrake koje su cijenili istraživači, leće koje usmjeravaju rendgenske zrake na nekoliko nanometara, instrumente koji maksimiziraju način na koji rendgenski zraci djeluju s uzorkom koji se proučava, a prikupljanje i upravljanje istraživanjima APS otkrivanja generira ogromne količine podataka.
Ova studija koristila je resurse iz Advanced Photon Source, američkog Odjela za energetiku Ured za znanost Korisnički centar kojim upravlja Nacionalni laboratorij Argonne za američki Ured za znanost Ministarstva za energiju u skladu s 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 svakoj znanstvenoj disciplini. Argonne istraživači usko surađuju s istraživačima iz stotina tvrtki, sveučilišta i saveznih, državnih i općinskih agencija kako bi im pomogli u rješavanju specifičnih problema, unapređivanju američkog znanstvenog vodstva i pripremi nacije za bolju budućnost. Argonne zapošljava zaposlenike iz preko 60 zemalja, a upravlja Uchicago Argonne, LLC iz Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD -a.
Ured za znanost američkog Ministarstva energetike najveći je zagovornik osnovnih istraživanja u fizičkim znanostima, radeći na rješavanju nekih od najvažnijih pitanja našeg vremena. Za više informacija posjetite https: // energy .gov/znanost ience.