Naukowcy z Argonne National Laboratory, należącego do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), mają długą historię pionierskich odkryć w dziedzinie akumulatorów litowo-jonowych. Wiele z tych wyników dotyczy katody akumulatora, zwanej NMC, niklowo-manganowo-kobaltowej. Akumulator z tą katodą napędza teraz Chevroleta Bolta.
Naukowcy z Argonne dokonali kolejnego przełomu w dziedzinie katod NMC. Nowa, maleńka struktura katody, opracowana przez zespół, może sprawić, że bateria będzie trwalsza i bezpieczniejsza, a także będzie mogła pracować przy bardzo wysokich napięciach i zapewniać większy zasięg.
„Mamy teraz wskazówki, z których producenci akumulatorów mogą skorzystać, aby wytwarzać wysokociśnieniowe materiały katodowe bez granic” – powiedział Khalil Amin, emerytowany pracownik naukowy Argonne.
„Obecne katody NMC stanowią poważną przeszkodę w pracach wysokonapięciowych” – powiedział asystent chemika Guiliang Xu. W przypadku cykli ładowania i rozładowania wydajność gwałtownie spada z powodu powstawania pęknięć w cząsteczkach katody. Od dziesięcioleci badacze akumulatorów poszukują sposobów na naprawę tych pęknięć.
W przeszłości jedna z metod wykorzystywała maleńkie cząstki kuliste złożone z wielu znacznie mniejszych cząsteczek. Duże cząstki kuliste są polikrystaliczne, z domenami krystalicznymi o różnej orientacji. W rezultacie między cząstkami występują tzw. granice ziaren, które mogą powodować pękanie baterii podczas cyklu. Aby temu zapobiec, współpracownicy Xu i Argonne'a opracowali wcześniej ochronną powłokę polimerową wokół każdej cząstki. Powłoka ta otacza duże cząstki kuliste, a wewnątrz nich mniejsze cząsteczki.
Innym sposobem uniknięcia tego typu pęknięć jest zastosowanie monokrystalicznych cząsteczek. Mikroskopia elektronowa tych cząsteczek wykazała, że ​​nie mają one granic.
Problemem dla zespołu było to, że katody wykonane z powlekanych polikryształów i monokryształów nadal pękały podczas cykli. Dlatego przeprowadzili oni szeroko zakrojoną analizę tych materiałów katodowych w Advanced Photon Source (APS) i Center for Nanomaterials (CNM) w Argonne Science Center należącym do Departamentu Energii USA.
Przeprowadzono różne analizy rentgenowskie pięciu ramion APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Okazało się, że to, co naukowcy uznali za monokryształ, co wykazały mikroskopia elektronowa i rentgenowska, w rzeczywistości miało wewnętrzną granicę. Skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa CNM potwierdziła ten wniosek.
„Kiedy przyjrzeliśmy się morfologii powierzchni tych cząstek, dostrzegliśmy, że są to pojedyncze kryształy” – powiedział fizyk 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。”„Kiedy jednak zastosowaliśmy w APS technikę zwaną synchrotronową mikroskopią dyfrakcyjną promieni rentgenowskich i inne techniki, odkryliśmy, że granice są ukryte wewnątrz.”
Co ważne, zespół opracował metodę produkcji monokryształów bez ograniczeń. Testowanie małych ogniw z tą monokryształową katodą przy bardzo wysokich napięciach wykazało 25% wzrost magazynowanej energii na jednostkę objętości, praktycznie bez utraty wydajności w ciągu 100 cykli testowych. Natomiast katody NMC zbudowane z monokryształów o wielu interfejsach lub powlekanych polikryształów wykazały spadek pojemności od 60% do 88% w tym samym okresie użytkowania.
Obliczenia w skali atomowej ujawniają mechanizm redukcji pojemności katody. Według Marii Chang, nanonaukowczyni z CNM, granice są bardziej narażone na utratę atomów tlenu podczas ładowania baterii niż obszary bardziej od nich oddalone. Ta utrata tlenu prowadzi do degradacji cyklu komórkowego.
„Nasze obliczenia pokazują, że przekroczenie tej granicy może spowodować uwolnienie tlenu pod wysokim ciśnieniem, co może skutkować obniżeniem wydajności” – powiedział Chan.
Wyeliminowanie granicy zapobiega wydzielaniu tlenu, poprawiając tym samym bezpieczeństwo i stabilność cykliczną katody. Pomiary wydzielania tlenu za pomocą APS i zaawansowanego źródła światła w Lawrence Berkeley National Laboratory należącym do Departamentu Energii USA potwierdzają ten wniosek.
„Teraz dysponujemy wytycznymi, które producenci akumulatorów mogą wykorzystać do produkcji materiałów katodowych, które nie mają żadnych granic i mogą pracować pod wysokim ciśnieniem” – powiedział Khalil Amin, emerytowany pracownik naukowy 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。”„Wytyczne powinny mieć zastosowanie do materiałów katodowych innych niż NMC.”
Artykuł na temat tego badania ukazał się w czasopiśmie Nature Energy. Oprócz Xu, Amin, Liu i Chang autorami Argonne są 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. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Uniwersytetu Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang i Shi-Gang Sun) oraz Uniwersytetu Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng i Mingao Ouyang).
O Centrum Nanomateriałów w Argonne Centrum Nanomateriałów, jedno z pięciu centrów badawczych nanotechnologii Departamentu Energii USA, jest wiodącą krajową instytucją użytkową w zakresie interdyscyplinarnych badań w skali nano, wspieraną przez Biuro Nauki Departamentu Energii USA. NSRC tworzą razem zespół uzupełniających się ośrodków, które zapewniają badaczom najnowocześniejsze możliwości w zakresie wytwarzania, przetwarzania, charakteryzowania i modelowania materiałów w skali nano, stanowiąc największą inwestycję infrastrukturalną w ramach Narodowej Inicjatywy Nanotechnologicznej. NSRC znajduje się w Narodowych Laboratoriach Departamentu Energii USA w Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Aby uzyskać więcej informacji na temat NSRC DOE, odwiedź stronę 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.
Zaawansowane Źródło Fotonów (APS) Departamentu Energii USA w Argonne National Laboratory jest jednym z najbardziej produktywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. APS dostarcza promienie rentgenowskie o wysokiej intensywności zróżnicowanej społeczności badawczej w dziedzinie materiałoznawstwa, chemii, fizyki materii skondensowanej, nauk biologicznych i środowiskowych oraz badań stosowanych. Te promienie rentgenowskie są idealne do badania materiałów i struktur biologicznych, rozkładu pierwiastków, stanów chemicznych, magnetycznych i elektronowych oraz technicznie ważnych systemów inżynieryjnych wszelkiego rodzaju, od baterii po dysze wtryskiwaczy paliwa, które są niezbędne dla naszej gospodarki narodowej, technologii i ciała. Podstawa zdrowia. Każdego roku ponad 5000 naukowców korzysta z APS do publikowania ponad 2000 publikacji szczegółowo opisujących ważne odkrycia i rozwiązujących ważniejsze biologiczne struktury białkowe niż użytkownicy jakiegokolwiek innego ośrodka badań rentgenowskich. Naukowcy i inżynierowie APS wdrażają innowacyjne technologie, które są podstawą poprawy wydajności akceleratorów i źródeł światła. Obejmuje to urządzenia wejściowe wytwarzające niezwykle jasne promienie rentgenowskie cenione przez badaczy, soczewki skupiające promienie rentgenowskie do kilku nanometrów, instrumenty maksymalizujące sposób, w jaki promienie rentgenowskie oddziałują z badaną próbką, a także zbieranie i zarządzanie odkryciami APS. Badania generują ogromne ilości danych.
W badaniu wykorzystano zasoby Advanced Photon Source, centrum użytkownika oprogramowania Office of Science przy Departamencie Energii USA prowadzonego przez Argonne National Laboratory dla Biura Nauki przy Departamencie Energii USA na podstawie umowy nr DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory dąży do rozwiązania palących problemów krajowej nauki i technologii. Jako pierwsze laboratorium narodowe w Stanach Zjednoczonych, Argonne prowadzi nowatorskie badania podstawowe i stosowane w praktycznie każdej dziedzinie nauki. Naukowcy z Argonne ściśle współpracują z naukowcami z setek firm, uniwersytetów oraz agencji federalnych, stanowych i miejskich, pomagając im rozwiązywać konkretne problemy, rozwijać amerykańskie przywództwo naukowe i przygotowywać kraj na lepszą przyszłość. Argonne zatrudnia pracowników z ponad 60 krajów i jest zarządzane przez UChicago Argonne, LLC, Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Biuro ds. Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym w kraju orędownikiem badań podstawowych w naukach fizycznych, pracując nad rozwiązaniem najbardziej palących problemów naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie https://​energy​.gov/​science​ience.