Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne 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-manganowego i tlenku kobaltu. Bateria z tą katodą zasila teraz Chevroleta Bolta.
Badacze firmy Argonne dokonali kolejnego przełomu w dziedzinie katod NMC. Nowa, opracowana przez zespół struktura drobnych cząstek katody może sprawić, że akumulator będzie trwalszy i bezpieczniejszy, będzie w stanie pracować przy bardzo wysokich napięciach i zapewniać większy zasięg.
„Mamy teraz wytyczne, które producenci akumulatorów mogą wykorzystać do wytwarzania wysokociśnieniowych materiałów katodowych bez granic” – Khalil Amin, emerytowany pracownik Argonne.
„Istniejące katody NMC stanowią główną przeszkodę w pracach pod wysokim napięciem” – powiedział asystent chemika Guiliang Xu. W przypadku cykli ładowania i rozładowania wydajność gwałtownie spada z powodu powstawania pęknięć w cząsteczkach katody. Przez dziesięciolecia badacze akumulatorów poszukiwali sposobów naprawy tych pęknięć.
W przeszłości stosowano jedną z metod, w której wykorzystywano maleńkie kuliste cząstki złożone z wielu znacznie mniejszych cząstek. Duże kuliste cząstki są polikrystaliczne, z domenami krystalicznymi o różnej orientacji. W rezultacie mają one, jak naukowcy nazywają, granice ziaren pomiędzy cząsteczkami, co może powodować pękanie akumulatora podczas cyklu. Aby temu zapobiec, współpracownicy Xu i Argonne opracowali wcześniej ochronną powłokę polimerową wokół każdej cząstki. Powłoka ta otacza duże kuliste cząstki i znajdujące się w nich mniejsze cząstki.
Innym sposobem uniknięcia tego rodzaju pęknięć jest użycie cząstek monokryształu. Mikroskopia elektronowa tych cząstek wykazała, że ​​nie mają one granic.
Problem dla zespołu polegał na tym, że katody wykonane z powlekanych polikryształów i monokryształów nadal pękały podczas jazdy na rowerze. Dlatego przeprowadzili obszerną analizę materiałów katodowych w Advanced Photon Source (APS) i Centrum Nanomateriałów (CNM) w Centrum Naukowym Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Przeprowadzono różne analizy rentgenowskie pięciu ramion APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Okazuje się, że to, co naukowcy uważali za pojedynczy kryształ, jak wykazały mikroskopia elektronowa i rentgenowska, w rzeczywistości miało wewnątrz granicę. Skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa CNM potwierdziła ten wniosek.
„Kiedy przyjrzeliśmy się morfologii powierzchni tych cząstek, wyglądały jak monokryształy” – 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 technikę zwaną synchrotronową mikroskopią dyfrakcyjną promieni rentgenowskich i inne techniki w APS, odkryliśmy, że granice były ukryte wewnątrz”.
Co ważne, zespół opracował metodę wytwarzania monokryształów bez granic. Testowanie małych ogniw z tą monokrystaliczną katodą przy bardzo wysokich napięciach wykazało 25% wzrost magazynowania energii na jednostkę objętości, praktycznie bez utraty wydajności w ciągu 100 cykli testowych. Natomiast katody NMC składające się z monokryształów o wielu interfejsach lub powlekanych polikryształów wykazały spadek pojemności od 60% do 88% w tym samym czasie życia.
Obliczenia w skali atomowej ujawniają mechanizm redukcji pojemności katody. Według Marii Chang, nanonaukowcy z CNM, prawdopodobieństwo utraty atomów tlenu podczas ładowania akumulatora jest większe niż obszary położone dalej od nich. Ta utrata tlenu prowadzi do degradacji cyklu komórkowego.
„Nasze obliczenia pokazują, jak granica może prowadzić do uwalniania tlenu pod wysokim ciśnieniem, co może prowadzić do zmniejszenia wydajności” – powiedział Chan.
Wyeliminowanie granicy zapobiega wydzielaniu się tlenu, poprawiając w ten sposób bezpieczeństwo i cykliczną stabilność katody. Pomiary wydzielania tlenu za pomocą APS i zaawansowanego źródła światła w Laboratorium Krajowym Lawrence Berkeley Departamentu Energii USA potwierdzają ten wniosek.
„Teraz dysponujemy wytycznymi, które producenci akumulatorów mogą wykorzystać do wytwarzania materiałów katodowych, które nie mają granic i które działają pod wysokim ciśnieniem” – powiedział Khalil Amin, emerytowany pracownik firmy 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 katod 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).
Informacje o Centrum Nanomateriałów Argonne Centrum Nanomateriałów, jeden z pięciu ośrodków badawczych nanotechnologii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, jest wiodącą instytucją krajową zajmującą się interdyscyplinarnymi badaniami w nanoskali, wspieraną przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Razem NSRC tworzą zestaw uzupełniających się obiektów, które zapewniają naukowcom najnowocześniejsze możliwości wytwarzania, przetwarzania, charakteryzowania i modelowania materiałów w skali nano i stanowią największą inwestycję infrastrukturalną w ramach Krajowej Inicjatywy Nanotechnologicznej. Siedziba NSRC mieści się w Krajowych Laboratoriach Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Więcej informacji na temat NSRC DOE można znaleźć na stronie https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er-​F​a​c​i​l​to​ie​tie​s​w​ skrócie.
Zaawansowane źródło fotonów (APS) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Argonne National Laboratory to jedno z najbardziej produktywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. APS dostarcza promieniowanie rentgenowskie o wysokiej intensywności zróżnicowanej społeczności badawczej z dziedzin inżynierii materiałowej, chemii, fizyki materii skondensowanej, nauk o życiu i środowisku oraz badań stosowanych. Te promienie rentgenowskie są idealne do badania materiałów i struktur biologicznych, rozkładu pierwiastków, stanów chemicznych, magnetycznych i elektronicznych oraz wszelkiego rodzaju ważnych technicznie systemów inżynieryjnych, od akumulatorów po dysze wtryskiwaczy paliwa, które są niezbędne dla naszej gospodarki narodowej, technologii . i ciało Podstawa zdrowia. Każdego roku ponad 5000 badaczy korzysta z APS i publikuje ponad 2000 publikacji szczegółowo opisujących ważne odkrycia i rozwiązujące 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 promieniowanie rentgenowskie, cenione przez badaczy, soczewki skupiające promienie rentgenowskie do kilku nanometrów, instrumenty maksymalizujące sposób interakcji promieni rentgenowskich z badaną próbką oraz gromadzenie odkryć APS i zarządzanie nimi Badania generują ogromne ilości danych.
W badaniu wykorzystano zasoby Advanced Photon Source, Centrum Użytkowników Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, obsługiwanego przez Laboratorium Narodowe Argonne dla Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach umowy o numerze DE-AC02-06CH11357.
Laboratorium Narodowe Argonne stara się rozwiązywać palące problemy krajowej nauki i technologii. Jako pierwsze laboratorium krajowe w Stanach Zjednoczonych, Argonne prowadzi najnowocześniejsze badania podstawowe i stosowane w praktycznie każdej dyscyplinie naukowej. Badacze Argonne ściśle współpracują z badaczami z setek firm, uniwersytetów oraz agencji federalnych, stanowych i miejskich, aby pomóc im rozwiązać konkretne problemy, zwiększyć wiodącą pozycję naukową Stanów Zjednoczonych i przygotować naród na lepszą przyszłość. Argonne zatrudnia pracowników z ponad 60 krajów i jest zarządzana przez UChicago Argonne, LLC należącą do Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym w kraju zwolennikiem badań podstawowych w naukach fizycznych, pracującym nad rozwiązaniem niektórych z najbardziej palących problemów naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie https://​energy​.gov/​science​ience.