Výskumníci z Národného laboratória Argonne pri Ministerstve energetiky USA (DOE) majú dlhú históriu priekopníckych objavov v oblasti lítium-iónových batérií. Mnohé z týchto výsledkov sa týkajú katódy batérie nazývanej NMC, niklu, mangánu a oxidu kobaltu. Batéria s touto katódou teraz poháňa Chevrolet Bolt.
Výskumníci z Argonne dosiahli ďalší prelom v oblasti katód NMC. Nová štruktúra malých častíc katódy, ktorú vytvoril tím, by mohla zvýšiť odolnosť a bezpečnosť batérie, zabezpečiť jej prevádzku pri veľmi vysokých napätiach a zabezpečiť dlhší dosah.
„Teraz máme usmernenia, ktoré môžu výrobcovia batérií použiť na výrobu vysokotlakových katódových materiálov bez okrajov,“ povedal Khalil Amin, emeritný člen Argonne.
„Existujúce NMC katódy predstavujú hlavnú prekážku pre prácu s vysokým napätím,“ povedal asistent chemika Guiliang Xu. Pri cyklovaní nabíjania a vybíjania výkon rýchlo klesá v dôsledku tvorby trhlín v časticiach katódy. Výskumníci v oblasti batérií už desaťročia hľadajú spôsoby, ako tieto trhliny opraviť.
Jedna metóda v minulosti používala drobné guľovité častice zložené z mnohých oveľa menších častíc. Veľké guľovité častice sú polykryštalické s kryštalickými doménami rôznej orientácie. V dôsledku toho majú medzi časticami to, čo vedci nazývajú hranice zŕn, čo môže spôsobiť prasknutie batérie počas cyklu. Aby sa tomu zabránilo, kolegovia Xu a Argonne predtým vyvinuli ochranný polymérny povlak okolo každej častice. Tento povlak obklopuje veľké guľovité častice a menšie častice v nich.
Ďalším spôsobom, ako sa vyhnúť tomuto druhu praskania, je použitie monokryštálových častíc. Elektrónová mikroskopia týchto častíc ukázala, že nemajú žiadne hranice.
Problémom tímu bolo, že katódy vyrobené z potiahnutých polykryštálov a monokryštálov počas cyklovania stále praskali. Preto vykonali rozsiahlu analýzu týchto katódových materiálov v centre Advanced Photon Source (APS) a Centre for Nanomaterials (CNM) v Argonne Science Center amerického ministerstva energetiky.
Na piatich ramenách APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C a 34-ID-E) sa vykonali rôzne röntgenové analýzy. Ukázalo sa, že to, čo vedci považovali za monokryštál, ako ukázala elektrónová a röntgenová mikroskopia, v skutočnosti malo vo vnútri hranicu. Skenovacia a transmisná elektrónová mikroskopia CNM tento záver potvrdila.
„Keď sme sa pozreli na povrchovú morfológiu týchto častíc, vyzerali ako monokryštály,“ povedal fyzik 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 滖 技 䜻 技嶀， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Keď sme však v APS použili techniku ​​nazývanú synchrotrónová röntgenová difrakčná mikroskopia a ďalšie techniky, zistili sme, že hranice boli skryté vo vnútri.“
Dôležité je, že tím vyvinul metódu na výrobu monokryštálov bez hraníc. Testovanie malých článkov s touto monokryštálovou katódou pri veľmi vysokých napätiach ukázalo 25 % nárast ukladania energie na jednotku objemu prakticky bez straty výkonu počas 100 testovacích cyklov. Naproti tomu NMC katódy zložené z viacvrstvových monokryštálov alebo potiahnutých polykryštálov vykazovali pokles kapacity o 60 % až 88 % počas rovnakej životnosti.
Výpočty na atómovej úrovni odhaľujú mechanizmus redukcie kapacity katódy. Podľa Marie Changovej, nanovedkyne z CNM, hranice s väčšou pravdepodobnosťou strácajú atómy kyslíka, keď je batéria nabitá, ako oblasti, ktoré sú od nich ďalej. Táto strata kyslíka vedie k degradácii bunkového cyklu.
„Naše výpočty ukazujú, ako môže hranica viesť k uvoľňovaniu kyslíka pri vysokom tlaku, čo môže viesť k zníženiu výkonu,“ povedal Chan.
Odstránenie hranice zabraňuje vývoju kyslíka, čím sa zlepšuje bezpečnosť a cyklická stabilita katódy. Merania vývoja kyslíka pomocou APS a pokročilého svetelného zdroja v Národnom laboratóriu Lawrencea Berkeleyho Ministerstva energetiky USA tento záver potvrdzujú.
„Teraz máme pokyny, ktoré môžu výrobcovia batérií použiť na výrobu katódových materiálov, ktoré nemajú žiadne hranice a fungujú pri vysokom tlaku,“ povedal Khalil Amin, emeritný člen 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。”„Pokyny by sa mali vzťahovať na iné katódové materiály ako NMC.“
Článok o tejto štúdii sa objavil v časopise Nature Energy. Okrem Xu, Amina, Liu a Changa sú autormi Argonne Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu , Junjing Deng, Inhui Sun a Zong, Taungo Zhong, Chengjun, Vedci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li a Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang a Shi-Gang Sun) a Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
O Centre pre nanomateriály Argonne Centrum pre nanomateriály, jedno z piatich výskumných centier v oblasti nanotechnológií Ministerstva energetiky USA, je poprednou národnou používateľskou inštitúciou pre interdisciplinárny výskum v nanoškále, ktorú podporuje Úrad pre vedu Ministerstva energetiky USA. NSRC spolu tvoria súbor doplnkových zariadení, ktoré poskytujú výskumníkom najmodernejšie možnosti na výrobu, spracovanie, charakterizáciu a modelovanie nanomateriálov a predstavujú najväčšiu investíciu do infraštruktúry v rámci Národnej iniciatívy pre nanotechnológie. NSRC sa nachádza v Národných laboratóriách Ministerstva energetiky USA v Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia a Los Alamos. Viac informácií o NSRC DOE nájdete na stránke 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.
Pokročilý zdroj fotónov (APS) amerického ministerstva energetiky v Národnom laboratóriu Argonne je jedným z najproduktívnejších zdrojov röntgenového žiarenia na svete. APS poskytuje vysokointenzívne röntgenové žiarenie rozmanitej výskumnej komunite v oblasti materiálovej vedy, chémie, fyziky kondenzovaných látok, biologických a environmentálnych vied a aplikovaného výskumu. Toto röntgenové žiarenie je ideálne na štúdium materiálov a biologických štruktúr, rozloženia prvkov, chemických, magnetických a elektronických stavov a technicky dôležitých technických systémov všetkých druhov, od batérií až po trysky vstrekovačov paliva, ktoré sú životne dôležité pre naše národné hospodárstvo, technológie a telo. Základ zdravia. Každý rok viac ako 5 000 výskumníkov používa APS na publikovanie viac ako 2 000 publikácií, ktoré podrobne opisujú dôležité objavy a riešia dôležitejšie biologické proteínové štruktúry ako používatelia ktoréhokoľvek iného centra pre výskum röntgenového žiarenia. Vedci a inžinieri APS implementujú inovatívne technológie, ktoré sú základom pre zlepšenie výkonu urýchľovačov a svetelných zdrojov. Patria sem vstupné zariadenia, ktoré produkujú extrémne jasné röntgenové lúče, ktoré si výskumníci cenia, šošovky, ktoré zaostrujú röntgenové lúče až na niekoľko nanometrov, prístroje, ktoré maximalizujú spôsob, akým röntgenové lúče interagujú so skúmanou vzorkou, a zhromažďovanie a správa objavov APS. Výskum generuje obrovské objemy údajov.
Táto štúdia využila zdroje z Advanced Photon Source, užívateľského centra Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA, ktoré prevádzkuje Národné laboratórium Argonne pre Úrad pre vedu Ministerstva energetiky USA na základe zmluvy číslo DE-AC02-06CH11357.
Národné laboratórium Argonne sa snaží riešiť naliehavé problémy domácej vedy a techniky. Ako prvé národné laboratórium v ​​Spojených štátoch vykonáva Argonne špičkový základný a aplikovaný výskum prakticky v každej vedeckej disciplíne. Výskumníci z Argonne úzko spolupracujú s výskumníkmi zo stoviek spoločností, univerzít a federálnych, štátnych a obecných agentúr, aby im pomohli riešiť konkrétne problémy, posunúť vedúce postavenie USA vo vede a pripraviť národ na lepšiu budúcnosť. Argonne zamestnáva zamestnancov z viac ako 60 krajín a prevádzkuje ho spoločnosť UChicago Argonne, LLC, ktorá je súčasťou Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA.
Úrad pre vedu Ministerstva energetiky USA je najväčším podporovateľom základného výskumu vo fyzikálnych vedách v krajine a pracuje na riešení niektorých z najnaliehavejších problémov našej doby. Viac informácií nájdete na stránke https://energy.gov/scienceience.