Istraživači u Nacionalnom laboratoriju Argonne pri američkom Ministarstvu energetike (DOE) imaju dugu povijest pionirskih otkrića u području litij-ionskih baterija. Mnogi od tih rezultata odnose se na katodu baterije, nazvanu NMC, nikal-mangan i kobalt-oksid. Baterija s ovom katodom sada napaja Chevrolet Bolt.
Istraživači iz Argonnea postigli su još jedan proboj u području NMC katoda. Nova struktura sićušnih čestica katode koju je tim napravio mogla bi učiniti bateriju izdržljivijom i sigurnijom, sposobnom za rad na vrlo visokim naponima i omogućiti dulji domet.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu visokotlačnih, bezrubnih katodnih materijala“, rekao je Khalil Amin, zaslužni član Argonnea.
„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 tih pukotina.
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, imaju ono što znanstvenici nazivaju granicama zrna između čestica, što može uzrokovati pucanje baterije tijekom ciklusa. Kako bi to spriječili, Xu i Argonneovi kolege prethodno su razvili zaštitni polimerni premaz oko svake čestice. Ovaj premaz okružuje velike sferne čestice i manje čestice unutar njih.
Drugi način izbjegavanja ove vrste pucanja je korištenje monokristalnih čestica. Elektronska mikroskopija ovih čestica pokazala je da nemaju granice.
Problem za tim bio je taj što su katode izrađene od obloženih polikristala i monokristala i dalje pucale tijekom ciklusa. Stoga su proveli opsežnu analizu tih katodnih materijala u Naprednom izvoru fotona (APS) i Centru za nanomaterijale (CNM) u Znanstvenom centru Argonne pri američkom Ministarstvu energetike.
Razne rendgenske analize provedene su na pet APS krakova (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Ispostavilo se da je ono što su znanstvenici smatrali monokristalom, kako je pokazano elektronskom i rendgenskom mikroskopijom, zapravo imalo granicu unutra. Skenirajuća i transmisijska elektronska mikroskopija CNM-ova potvrdile su ovaj zaključak.
„Kad smo pogledali površinsku morfologiju tih čestica, izgledale su poput monokristala“, 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 u APS-u koristili tehniku ​​​​zvanu sinkrotronska rendgenska difrakcijska mikroskopija i druge tehnike, otkrili smo da su granice skrivene unutra.“
Važno je napomenuti da je tim razvio metodu za proizvodnju monokristala bez granica. Testiranje malih ćelija s ovom monokristalnom katodom pri vrlo visokim naponima pokazalo je 25%-tno povećanje pohrane energije po jedinici volumena praktički bez gubitka performansi tijekom 100 ciklusa ispitivanja. Nasuprot tome, NMC katode sastavljene od višeslojnih monokristala ili obloženih polikristala pokazale su pad kapaciteta od 60% do 88% tijekom istog životnog vijeka.
Izračuni na atomskoj skali otkrivaju mehanizam smanjenja katodnog kapaciteta. Prema Mariji Chang, nanoznanstvenici u CNM-u, granice imaju veću vjerojatnost da će izgubiti atome kisika kada se baterija puni nego područja dalje 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 smanjenih performansi“, rekao je Chan.
Uklanjanje granice sprječava izdvajanje kisika, čime se poboljšava sigurnost i ciklička stabilnost katode. Mjerenja izdvajanja kisika pomoću APS-a i naprednog izvora svjetlosti u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley pri američkom Ministarstvu energetike potvrđuju ovaj zaključak.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala koji nemaju ograničenja i rade pod visokim tlakom“, rekao je Khalil Amin, zaslužni član Argonnea. 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 američkog Ministarstva energetike, vodeća je nacionalna korisnička institucija za interdisciplinarna istraživanja u nanoskalnim područjima koju podržava Ured za znanost američkog Ministarstva energetike. Zajedno, NSRC-ovi tvore skup komplementarnih objekata koji istraživačima pružaju najsuvremenije mogućnosti za izradu, obradu, karakterizaciju i modeliranje nanoskalnih materijala te predstavljaju najveće infrastrukturno ulaganje u okviru Nacionalne inicijative za nanotehnologiju. NSRC se nalazi u Nacionalnim laboratorijima američkog Ministarstva energetike u Argonneu, Brookhavenu, Lawrenceu Berkeleyju, Oak Ridgeu, Sandiji i Los Alamosu. Za više informacija o NSRC-u DOE posjetite 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 izvor (APS) američkog Ministarstva energetike u Nacionalnom laboratoriju Argonne jedan je od najproduktivnijih izvora X-zraka na svijetu. APS pruža visokointenzivne X-zrake raznolikoj istraživačkoj zajednici u znanosti o materijalima, kemiji, fizici kondenzirane materije, znanostima o životu i okolišu te primijenjenim istraživanjima. Ove X-zrake idealne su za proučavanje materijala i bioloških struktura, raspodjele elemenata, kemijskih, magnetskih i elektroničkih stanja te tehnički važnih inženjerskih sustava svih vrsta, od baterija do mlaznica za ubrizgavanje goriva, koje su vitalne za naše nacionalno gospodarstvo, tehnologiju i tijelo. Osnova zdravlja. Svake godine više od 5000 istraživača koristi APS za objavljivanje više od 2000 publikacija koje detaljno opisuju važna otkrića i rješavaju važnije biološke strukture proteina od korisnika bilo kojeg drugog centra za istraživanje X-zraka. Znanstvenici i inženjeri APS-a implementiraju inovativne tehnologije koje su osnova za poboljšanje performansi akceleratora i izvora svjetlosti. To uključuje ulazne uređaje koji proizvode izuzetno svijetle rendgenske zrake koje istraživači cijene, leće koje fokusiraju rendgenske zrake do nekoliko nanometara, instrumente koji maksimiziraju način na koji rendgenske zrake međusobno djeluju s uzorkom koji se proučava te prikupljanje i upravljanje otkrićima APS-a. Istraživanje generira ogromne količine podataka.
U ovoj studiji korišteni su resursi iz Advanced Photon Sourcea, korisničkog centra Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD-a kojim upravlja Nacionalni laboratorij Argonne za Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a pod ugovorom broj 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. Istraživači Argonnea blisko surađuju s istraživačima iz stotina tvrtki, sveučilišta te saveznih, državnih i općinskih agencija kako bi im pomogli u rješavanju specifičnih problema, unapređenju američkog znanstvenog vodstva i pripremi nacije za bolju budućnost. Argonne zapošljava zaposlenike iz preko 60 zemalja, a njime upravlja UChicago Argonne, LLC Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD-a.
Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a najveći je nacionalni zagovornik temeljnih istraživanja u fizikalnim znanostima, radeći na rješavanju nekih od najhitnijih problema našeg vremena. Za više informacija posjetite https://energy.gov/scienceience.