Naukowcy z amerykańskiego Departamentu Energii (DOE) Argonne National Laboratory mają długą historię pionierskich odkryć w dziedzinie akumulatorów litowo-jonowych. Wiele z tych wyników dotyczy katody baterii, zwanej NMC, niklu manganu i tlenku kobaltu. Bateria z tą katodą zasila teraz śrubę Chevroleta.
Badacze argonne osiągnęli kolejny przełom w katodach NMC. Nowa struktura cząstek malutkiej drużyny może sprawić, że akumulator będzie bardziej trwał i bezpieczniejszy, może działać przy bardzo wysokich napięciach i zapewniać dłuższe zakresy podróży.
„Mamy teraz wskazówki, których producenci baterii mogą użyć do tworzenia wysokociśnieniowych, bez granic materiałów katodowych”, Khalil Amin, emerytowany kolega z Argonne.
„Istniejące katody NMC stanowią poważną przeszkodę w pracach wysokiego napięcia”, powiedział zastępca chemika Guiliang Xu. W przypadku cyklizacji ładowania rozładowywanie wydajność gwałtownie spada z powodu tworzenia pęknięć w cząstkach katody. Od dziesięcioleci badacze baterii szukają sposobów naprawy tych pęknięć.
W jednej metodzie w przeszłości zastosowano małe sferyczne cząstki złożone z wielu znacznie mniejszych cząstek. Duże cząsteczki sferyczne są polikrystaliczne, z krystalicznymi domenami różnych orientacji. W rezultacie mają to, co naukowcy nazywają granice ziarna między cząsteczkami, co może powodować pękanie baterii podczas cyklu. Aby temu zapobiec, współpracownicy Xu i Argonne wcześniej opracowali ochronne polimerowe powlekanie wokół każdej cząstki. Ta powłoka otacza w nich duże kuliste cząsteczki i mniejsze cząstki.
Innym sposobem uniknięcia tego rodzaju pękania jest użycie pojedynczych cząstek kryształowych. Mikroskopia elektronowa tych cząstek wykazała, że ​​nie mają one granic.
Problem dla zespołu polegał na tym, że katody wykonane z powlekanych polikryształów i pojedynczych kryształów wciąż pękały podczas jazdy na rowerze. Dlatego przeprowadzili obszerną analizę tych materiałów katodowych w Advanced Photon Source (APS) i Centre for Nanomaterials (CNM) w amerykańskim Departamencie Science Departamentu Energii.
Różne analizy rentgenowskie przeprowadzono na pięciu ramionach APS (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Okazuje się, że to, co według naukowców było pojedynczym kryształem, jak pokazano mikroskopią elektronową i rentgenowską, miała w środku granicę. Skanowanie i transmisyjna mikroskopia elektronowa CNM potwierdziła ten wniosek.
„Kiedy spojrzeliśmy na morfologię powierzchni tych cząstek, wyglądały jak pojedyncze kryształy” - powiedział fizyk Wenjun Liu. â� <„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。” â� <„但是 ， 当 在 在 使用 种 种 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 时 ， 我们 发现 隐藏 在。 在。”„Jednak kiedy zastosowaliśmy technikę zwaną mikroskopią dyfrakcji rentgenowskiej Synchrotron i inne techniki w APS, stwierdziliśmy, że granice były ukryte w środku”.
Co ważne, zespół opracował metodę wytwarzania pojedynczych kryształów bez granic. Testowanie małych komórek z tą katodą jednokrystaliczną przy bardzo wysokich napięciach wykazało 25% wzrost magazynowania energii na jednostkę objętości z praktycznie bez utraty wydajności w ponad 100 cyklach testowych. Natomiast katody NMC złożone z pojedynczych kryształów lub powlekanych polikryształów powlekanych wykazały spadek pojemności 60% do 88% w tym samym okresie życia.
Obliczenia skali atomowej ujawniają mechanizm redukcji pojemności katody. Według Marii Chang, nanonauna w CNM, granice częściej tracą atomy tlenu, gdy bateria jest naładowana niż obszary dalej od nich. Ta utrata tlenu prowadzi do degradacji cyklu komórkowego.
„Nasze obliczenia pokazują, w jaki sposób granica może prowadzić do uwolnienia tlenu pod wysokim ciśnieniem, co może prowadzić do zmniejszenia wydajności”, powiedział Chan.
Wyeliminowanie granicy zapobiega ewolucji tlenu, poprawiając w ten sposób bezpieczeństwo i cykliczną stabilność katody. Pomiary ewolucji tlenu z APS i zaawansowane źródło światła w amerykańskim Departamencie Energii Lawrence Berkeley National Laboratory potwierdzają ten wniosek.
„Teraz mamy wytyczne, których producenci baterii mogą użyć do tworzenia materiałów katodowych, które nie mają granic i działają pod wysokim ciśnieniem”, powiedział Khalil Amin, emerytowany kolega z 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 o tym badaniu pojawił 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 Di, Di, Di, Di, Di, Di, Di, Di, Di, Di, Du, Du, Du, Di, Du, Du, Du, Di, Zonghai Chen. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang i Shi-Gang Sun) oraz Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng i Mingao Ouyang).
O Argonne Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, jednym z pięciu amerykańskich Departamentu Energii Nanotechnologii, jest najważniejszą krajową instytucją użytkownika interdyscyplinarnych badań w nanoskali wspieranych przez biuro Departamentu Energii Departamentu Energii. Razem NSRC tworzą pakiet uzupełniających się obiektów, które zapewniają badaczom najnowocześniejsze możliwości wytwarzania, przetwarzania, charakteryzowania i modelowania materiałów nanoskalowych i stanowią największe inwestycje infrastrukturalne w ramach National Nanotechnology Initiative. NSRC znajduje się w amerykańskim Departamencie National Laboratories w Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Aby uzyskać więcej informacji o NSRC DOE, odwiedź https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it tj.
Zaawansowane źródło fotonów (APS) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Argonne National Laboratory jest jednym z najbardziej produktywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. APS zapewnia promieniowanie rentgenowskie o wysokiej intensywności różnorodnej społeczności badawczej w dziedzinie materiałów materiałowych, chemii, fizyce skondensowanej materii, nauk o życiu i środowisku oraz badań stosowanych. Te promieniowanie rentgenowskie są idealne do badania materiałów i struktur biologicznych, rozmieszczenia elementów, stanów chemicznych, magnetycznych i elektronicznych oraz technicznie ważnych systemów inżynieryjnych wszelkiego rodzaju, od akumulatorów po dyszę wtryskiwacza paliwa, które są niezbędne dla naszej gospodarki krajowej, technologii. i ciało podstawy zdrowia. Każdego roku ponad 5000 badaczy używa APS do publikowania ponad 2000 publikacji opisujących ważne odkrycia i rozwiązywanie ważniejszych biologicznych struktur białkowych niż użytkownicy jakiegokolwiek innego centrum badań rentgenowskich. Naukowcy i inżynierowie APS wdrażają innowacyjne technologie, które są podstawą poprawy wydajności akceleratorów i źródeł światła. Obejmuje to urządzenia wejściowe, które wytwarzają wyjątkowo jasne promieniowanie rentgenowskie cenione przez naukowców, soczewki, które koncentrują promieniowanie rentgenowskie do kilku nanometrów, instrumentów, które maksymalizują sposób interakcji promieni rentgenowskich z badaną próbką, a także zbieranie i zarządzanie badaniami odkrywania APS generuje ogromne objętości danych.
W niniejszym badaniu wykorzystano zasoby z Advanced Photon Source, amerykańskiego Departamentu Energii Biura User User Center obsługiwanego przez Argonne National Laboratory dla Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie numeru umowy DE-AC02-06CH11357.
Krajowe laboratorium Argonne dąży do rozwiązania pilnych problemów związanych z nauką i technologią krajową. Jako pierwsze narodowe laboratorium w Stanach Zjednoczonych, Argonne prowadzi najnowocześniejsze badania podstawowe i stosowane w praktycznie każdej dyscyplinie naukowej. Badacze argonne ściśle współpracują z naukowcami z setek firm, uniwersytetów i agencji federalnych, stanowych i miejskich, aby pomóc im rozwiązać konkretne problemy, rozwinąć przywództwo naukowe USA i przygotować naród na lepszą przyszłość. Argonne zatrudnia pracowników z ponad 60 krajów i jest obsługiwana przez Uchicago Argonne, LLC z Urzędu Nauki Departamentu Energii USA.
Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym w kraju zwolennikiem podstawowych badań w naukach fizycznych, pracując nad niektórymi z najbardziej palących problemów naszych czasów. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź https: // Energy .gov/Science Ience.