Vedci na Národnom laboratóriu Ministerstva energetiky USA (DOE) majú dlhú históriu priekopníckych objavov v oblasti lítium-iónových batérií. Mnohé z týchto výsledkov sú pre batériu katódy nazývané NMC, niklového mangánu a oxidu kobaltu. Batéria s touto katódou teraz poháňa skrutku Chevrolet.
Vedci Argonne dosiahli ďalší prielom v NMC katódach. Nová drobná štruktúra častíc katód v tíme by mohla zvýšiť trvanlivejšiu a bezpečnejšiu batériu, schopná pracovať pri veľmi vysokých napätiach a poskytovať dlhšie cestovné rozsahy.
„Teraz máme usmernenie, že výrobcovia batérií môžu použiť na výrobu vysokotlakových materiálov bez hraníc,“ Khalil Amin, Emeritus Argonne.
„Existujúce katódy NMC predstavujú hlavnú prekážku pre prácu s vysokým napätím,“ uviedol asistent chemika Guiliang Xu. Pri cyklistike nabíjačke nabíjania sa výkon rýchlo klesá v dôsledku tvorby trhlín v katódových častiach. Po celé desaťročia vedci batérií hľadajú spôsoby, ako opraviť tieto trhliny.
Jedna metóda v minulosti použila malé sférické častice zložené z mnohých oveľa menších častíc. Veľké sférické častice sú polykryštalické, s kryštalickými doménami rôznych orientácií. V dôsledku toho majú to, čo vedci nazývajú hranice zŕn medzi časticami, čo môže spôsobiť prasknutie batérie počas cyklu. Aby sa tomu zabránilo, kolegovia z Xu a Argonne predtým vyvinuli ochranný polymérny povlak okolo každej častice. Tento náter obklopuje veľké sférické častice a menšie častice v nich.
Ďalším spôsobom, ako sa vyhnúť tomuto druhu krakovania, je použitie častíc s jedným kryštálom. Elektrónová mikroskopia týchto častíc ukázala, že nemajú hranice.
Problémom tímu bolo, že katód vyrobené z potiahnutých polykryštálov a jednotlivých kryštálov, ktoré boli počas cyklistiky stále prasknuté. Preto uskutočnili rozsiahlu analýzu týchto katódových materiálov v pokročilom zdroji fotónov (APS) a centrom pre nanomateriály (CNM) na vedeckom centre Argonne Science Ministerstva energetiky USA.
Rôzne röntgenové analýzy sa uskutočňovali na piatich ramenách APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C a 34-ID-E). Ukazuje sa, že to, čo vedci považovali za jediný kryštál, ako ukazuje elektrónová a röntgenová mikroskopia, malo vo vnútri hranicu. Tento záver potvrdil skenovanie a prenosová elektrónová mikroskopia CNM.
"Keď sme sa pozreli na povrchovú morfológiu týchto častíc, vyzerali ako jednotlivé kryštály," uviedol fyzik Wenjun Liu. „<“ 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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 â <“但是 ， 当 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 和 其他 ， ， 发现 边界 边界 隐藏„Keď sme však v APS použili techniku ​​nazývanú synchrotrónová rôntgenová difrakčná mikroskopia a ďalšie techniky, zistili sme, že hranice boli vo vnútri skryté.“
Dôležité je, že tím vyvinul metódu na výrobu jednotlivých kryštálov bez hraníc. Testovanie malých buniek s touto jednorazovou katódou pri veľmi vysokom napätí ukázalo 25% zvýšenie ukladania energie na jednotku objemu, pričom prakticky žiadna strata výkonu počas 100 testovacích cyklov. Na rozdiel od toho, NMC katódy zložené z viacrozmerných jednokryzových kryštálov alebo potiahnutých polykryštálov vykazovali za rovnakú životnosť pokles kapacity o 60% až 88%.
Výpočty atómovej stupnice odhaľujú mechanizmus redukcie katódovej kapacity. Podľa Maria Chang, nanosvedkyňa v CNM, hranice s väčšou pravdepodobnosťou stratia atómy kyslíka, keď je batéria nabitá ako oblasti ďalej od nich. Táto strata kyslíka vedie k degradácii bunkového cyklu.
"Naše výpočty ukazujú, ako môže hranica viesť k uvoľneniu kyslíka pri vysokom tlaku, čo môže viesť k zníženiu výkonu," uviedol Chan.
Eliminácia hranice zabraňuje vývoju kyslíka, čím sa zlepšuje bezpečnosť a cyklická stabilita katódy. Meranie evolúcie kyslíka s APS a pokročilým zdrojom svetla na Národnom laboratóriu Ministerstva energetiky USA Lawrence Berkeley tento záver potvrdzujú tento záver.
„Teraz máme pokyny, ktoré môžu výrobcovia batérií použiť na výrobu katódových materiálov, ktoré nemajú hranice a pracujú pri vysokom tlaku,“ povedal Khalil Amin, Emeritus Argonne. � <„该指南应适用于 NMC 以外的其他正极材料。“ � <„该指南应适用于 NMC 以外的其他正极材料。“„Pokyny by sa mali vzťahovať na iné materiály v katóde iné ako NMC.“
Článok o tejto štúdii sa objavil v časopise Nature Energy. Okrem Xu, Amin, Liu a Chang, autori Argonne sú Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Tao Sun, Tao Sun. Zonghai Chen. Vedci z Národného laboratória Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li a Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang a Shi-Gang Sun) a Univerzita Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
O Argonne Centre pre nanomateriály Centrum pre nanomateriály, jedno z piatich výskumných centier ministerstva energetiky USA, je popredným národným používateľským inštitúciám pre interdisciplinárny výskum v nanocale podporovaných Úradom pre vedu ministerstva energetiky USA. Spoločne NSRC tvoria sadu doplnkových zariadení, ktoré poskytujú výskumným pracovníkom najmodernejšie schopnosti na výrobu, spracovanie, charakterizáciu a modelovanie materiálov v nanomateriáloch a predstavujú najväčšie investície do infraštruktúry v rámci Národnej iniciatívy nanotechnologickej iniciatívy. NSRC sa nachádza na 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 .Sti .gov/us er-f a c i osvetlené ie s/us er-f a c i l it it ie s-v -a na Glance.
Advanced Foton Source Ministerstva energetiky USA (APS) v Argonne National Laboratory je jedným z najproduktívnejších zdrojov röntgenového žiarenia na svete. APS poskytuje röntgenové lúče s vysokou intenzitou rôznorodej výskumnej komunite v oblasti materiálov, chémie, fyziky kondenzovanej hmoty, životných a environmentálnych vied a aplikovaného výskumu. Tieto röntgenové lúče sú ideálne na štúdium materiálov a biologických štruktúr, distribúcie prvkov, chemických, magnetických a elektronických stavov a technicky dôležitých inžinierskych systémov všetkého druhu, od batérií až po dýzy injektorov paliva, ktoré sú životne dôležité pre naše národné hospodárstvo, technológiu. a telo základom zdravia. Každý rok viac ako 5 000 výskumných pracovníkov používa APS na publikovanie viac ako 2 000 publikácií, v ktorých podrobne opisuje dôležité objavy a riešia dôležitejšie biologické proteínové štruktúry ako používatelia akéhokoľvek iného röntgenového výskumného centra. Vedci a inžinieri APS implementujú inovatívne technológie, ktoré sú základom pre zlepšenie výkonnosti urýchľovačov a svetelných zdrojov. To zahŕňa vstupné zariadenia, ktoré produkujú extrémne jasné röntgenové lúče, ktoré sú ocenené výskumníkmi, šošovky, ktoré zameriavajú röntgenové lúče až na niekoľko nanometrov, nástroje, ktoré maximalizujú spôsob, akým röntgenové lúče interagujú so vzorkou študovanou vzorkou, a zber a riadenie výskumu APS zisťuje obrovské objemy údajov.
Táto štúdia využívala zdroje od Advanced Photon Source, amerického ministerstva energetického úradu pre používateľské centrum vedy, ktoré prevádzkovalo Národné laboratórium Argonne pre Ministerstvo energetiky USA pre vedecké Úrady USA podľa čísla zmluvy DE-AC02-06CH11357.
Národné laboratórium Argonne sa snaží vyriešiť naliehavé problémy domácej vedy a techniky. Ako prvé národné laboratórium v ​​Spojených štátoch, Argonne vykonáva špičkový základný a aplikovaný výskum prakticky v každej vedeckej disciplíne. Vedci Argonne úzko spolupracujú s výskumníkmi zo stoviek spoločností, univerzít a federálnych, štátnych a obecných agentúr, aby im pomohli vyriešiť konkrétne problémy, pokročili v americkom vedeckom vedení a pripravili národ na lepšiu budúcnosť. Argonne zamestnáva zamestnancov z viac ako 60 krajín a prevádzkuje ho Uchicago Argonne, LLC Úradu pre vedu ministerstva energetiky USA.
Úrad pre vedu amerického ministerstva energetiky je najväčším zástancom základného výskumu vo fyzických vedách v krajine, ktorý sa snaží riešiť niektoré z najnaliehavejších otázok našej doby. Viac informácií nájdete na stránke https: // Energy .gov/Science.