Výskumníci z amerického ministerstva energetiky (DOE) Argonne National Laboratory majú za sebou dlhú históriu priekopníckych objavov v oblasti lítium-iónových batérií. Mnohé z týchto výsledkov sú pre katódu batérie nazývanú NMC, nikel-mangán a oxid kobaltu. Batéria s touto katódou teraz napája Chevrolet Bolt.
Výskumníci z Argonne dosiahli ďalší prelom v oblasti NMC katód. Nová štruktúra malých katódových častíc tímu by mohla spôsobiť, že batéria bude odolnejšia a bezpečnejšia, bude schopná pracovať pri veľmi vysokom napätí a poskytnúť dlhší dojazd.
„Teraz máme návod, ktorý môžu výrobcovia batérií použiť na výrobu vysokotlakových katódových materiálov bez okrajov,“ Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Existujúce katódy NMC predstavujú veľkú prekážku pre prácu s vysokým napätím,“ povedal asistent chemika Guiliang Xu. Pri cyklickom nabíjaní a vybíjaní výkon rýchlo klesá v dôsledku tvorby trhlín v časticiach katódy. Po desaťročia výskumníci batérií hľadali spôsoby, ako tieto praskliny opraviť.
Jedna metóda v minulosti používala drobné sférické častice zložené z mnohých oveľa menších častíc. Veľké sférické 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 sférické 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 pre tím bolo, že katódy vyrobené z potiahnutých polykryštálov a monokryštálov počas cyklovania stále praskali. Preto vykonali rozsiahlu analýzu týchto katódových materiálov v Advanced Photon Source (APS) a Centre pre nanomateriály (CNM) v Argonne Science Center amerického ministerstva energetiky.
Uskutočnili sa rôzne rôntgenové analýzy 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, v skutočnosti malo vo vnútri hranicu. Skenovacia a transmisná elektrónová mikroskopia CNM potvrdila tento záver.
„Keď sme sa pozreli na povrchovú morfológiu týchto častíc, vyzerali ako jednotlivé kryštály,“ 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涜的技涜的技涶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 皖 技 会 抶 朖 技 技们 发现 边界 隐藏 在。”"Keď sme však použili techniku ​​nazývanú synchrotrónová röntgenová difrakčná mikroskopia a ďalšie techniky v APS, 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 vysokom napätí ukázalo 25 % zvýšenie akumulácie energie na jednotku objemu bez prakticky žiadnej straty výkonu počas 100 testovacích cyklov. Naopak, NMC katódy zložené z multi-interface monokryštálov alebo potiahnutých polykryštálov vykazovali pokles kapacity o 60 % až 88 % počas rovnakej životnosti.
Výpočty v atómovom meradle odhaľujú mechanizmus znižovania katódovej kapacity. Podľa Maria Chang, nanovedca z CNM, hranice stratia atómy kyslíka skôr, 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 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 Lawrence Berkeley 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。”"Usmernenia by sa mali vzťahovať na katódové materiály iné 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 Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du a Zonghai Chen. 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 pre nanotechnológiu Ministerstva energetiky USA, je poprednou národnou užívateľskou inštitúciou pre interdisciplinárny výskum nanoúrovní podporovaný Úradom vedy Ministerstva energetiky USA. NSRC spolu tvoria súbor doplnkových zariadení, ktoré poskytujú výskumníkom najmodernejšie možnosti na výrobu, spracovanie, charakterizáciu a modelovanie materiálov v nanorozmeroch a predstavujú najväčšiu investíciu do infraštruktúry v rámci Národnej nanotechnologickej iniciatívy. 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 https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​​lit​​​​​ie​s​/​Us ehm-
Pokročilý zdroj fotónov (APS) amerického ministerstva energetiky v Argonne National Laboratory je jedným z najproduktívnejších röntgenových zdrojov na svete. APS poskytuje röntgenové lúče s vysokou intenzitou rôznorodej výskumnej komunite v oblasti vedy o materiáloch, chémii, fyzike kondenzovaných látok, vedách o živote a životnom prostredí a aplikovanom výskume. Tieto röntgenové lúče sú ideálne na štúdium materiálov a biologických štruktúr, distribúcie prvkov, chemických, magnetických a elektronických stavov a technicky dôležitých inžinierskych systémov všetkých druhov, od batérií až po dýzy vstrekovačov paliva, ktoré sú životne dôležité pre naše národné hospodárstvo, technológiu . a telo Základ zdravia. Každý rok viac ako 5 000 výskumníkov používa APS na publikovanie viac ako 2 000 publikácií s podrobnými informáciami o dôležitých objavoch a riešení dôležitejších biologických proteínových štruktúr ako používatelia akéhokoľvek iného výskumného röntgenového centra. Vedci a inžinieri APS implementujú inovatívne technológie, ktoré sú základom pre zlepšenie výkonu urýchľovačov a svetelných zdrojov. Patria sem vstupné zariadenia, ktoré produkujú mimoriadne jasné röntgenové lúče oceňované výskumníkmi, šošovky, ktoré sústreďujú röntgenové lúče až na niekoľko nanometrov, nástroje, ktoré maximalizujú spôsob, akým röntgenové lúče interagujú so skúmanou vzorkou, a zhromažďovanie a riadenie objavov APS. Výskum generuje obrovské objemy dát.
Táto štúdia využívala zdroje z Advanced Photon Source, používateľského centra Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA, ktoré prevádzkuje Národné laboratórium Argonne pre Úrad vedy Ministerstva energetiky USA pod číslom zmluvy DE-AC02-06CH11357.
Národné laboratórium Argonne sa snaží riešiť naliehavé problémy domácej vedy a techniky. Ako prvé národné laboratórium v ​​USA vedie 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 vyriešiť konkrétne problémy, posunúť vedúce postavenie americkej vedy a pripraviť národ na lepšiu budúcnosť. Argonne zamestnáva zamestnancov z viac ako 60 krajín a prevádzkuje ho spoločnosť UChicago Argonne, LLC Úradu vedy Ministerstva energetiky USA.
Vedecký úrad Ministerstva energetiky USA je najväčším zástancom základného výskumu v oblasti fyzikálnych vied v krajine, ktorý sa snaží riešiť niektoré z najpálčivejších problémov našej doby. Viac informácií nájdete na https://​energy​.gov/​science​ience.