Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au o istorie lungă de descoperiri de pionierat în domeniul bateriilor cu litiu-ion. Multe dintre aceste rezultate sunt pentru catodul bateriei, numit NMC, mangan de nichel și oxid de cobalt. O baterie cu acest catod alimentează acum șurubul Chevrolet.
Cercetătorii Argonne au obținut o altă descoperire în catodii NMC. Noua structură minusculă a particulelor catodice a echipei ar putea face bateria mai durabilă și mai sigură, capabilă să funcționeze la tensiuni foarte mari și să ofere intervale de deplasare mai lungi.
„Acum avem îndrumări pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a face materiale catodice de înaltă presiune, fără margini”, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Catodii NMC existenți prezintă un obstacol major pentru lucrările de înaltă tensiune”, a declarat asistentul chimist Guiliang Xu. Cu ciclismul de încărcare-descărcare, performanța scade rapid datorită formării fisurilor în particulele de catod. De zeci de ani, cercetătorii de baterii au căutat modalități de reparare a acestor fisuri.
O metodă din trecut a folosit particule sferice minuscule compuse din multe particule mult mai mici. Particulele sferice mari sunt policristaline, cu domenii cristaline de diferite orientări. Drept urmare, ei au ceea ce oamenii de știință numesc granițe între particule, ceea ce poate determina bateria să se crape în timpul unui ciclu. Pentru a preveni acest lucru, colegii lui Xu și Argonne au dezvoltat anterior o acoperire de polimer protector în jurul fiecărei particule. Această acoperire înconjoară particule sferice mari și particule mai mici din ele.
Un alt mod de a evita acest tip de fisurare este utilizarea particulelor cu un singur cristal. Microscopia electronică a acestor particule a arătat că nu au granițe.
Problema echipei a fost că catodii făcuți din policristale acoperite și cristale unice încă s -au crăpat în timpul ciclismului. Prin urmare, au efectuat o analiză extinsă a acestor materiale catodice la sursa de fotoni avansate (APS) și la Centrul pentru Nanomateriale (CNM) la Centrul de Știință al Departamentului de Energie al SUA.
Diverse analize de raze X au fost efectuate pe cinci brațe APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C și 34-ID-E). Se dovedește că ceea ce oamenii de știință au crezut că este un singur cristal, așa cum se arată prin microscopie cu electroni și cu raze X, avea de fapt o graniță în interior. Microscopia electronică de scanare și transmisie a CNMS a confirmat această concluzie.
„Când ne -am uitat la morfologia de suprafață a acestor particule, ei arătau ca niște cristale unice”, a spus fizicianul 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 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。”„Cu toate acestea, când am folosit o tehnică numită microscopie de difracție cu raze X de sincrotron și alte tehnici la APS, am constatat că limitele erau ascunse în interior.”
Important, echipa a dezvoltat o metodă pentru a produce cristale unice fără granițe. Testarea celulelor mici cu acest catod cu un singur cristal la tensiuni foarte mari a arătat o creștere de 25% a stocării de energie pe unitatea de unitate, fără a pierde practic performanța peste 100 de cicluri de testare. În schimb, catodii NMC compuși din cristale unice cu mai multe interfațe sau policristale acoperite au arătat o scădere de capacitate de 60% până la 88% pe aceeași viață.
Calculele la scară atomică dezvăluie mecanismul reducerii capacității catodice. Potrivit Maria Chang, o nanoștiinterie la CNM, granițele sunt mai susceptibile să piardă atomi de oxigen atunci când bateria este încărcată decât zonele mai departe de ei. Această pierdere de oxigen duce la degradarea ciclului celular.
„Calculele noastre arată cum granița poate duce la eliberarea oxigenului la presiune ridicată, ceea ce poate duce la o performanță redusă”, a spus Chan.
Eliminarea graniței previne evoluția oxigenului, îmbunătățind astfel siguranța și stabilitatea ciclică a catodului. Măsurătorile de evoluție a oxigenului cu AP -uri și o sursă avansată de lumină la Laboratorul Național al Departamentului SUA al Departamentului Energiei din SUA confirmă această concluzie.
„Acum avem orientări pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a face materiale catodice care nu au granițe și funcționează la presiune ridicată”, a spus Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. 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。”„Liniile directoare ar trebui să se aplice materialelor catodice, altele decât NMC.”
Un articol despre acest studiu a apărut în revista Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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, and Zonghai Chen. Oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li și Zengqing Zhuo), Universitatea Xiamen (Fan Jing-Jing, Ling Huang și Shi-Gang Sun) și Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng și Mingao Ouyang).
Despre Centrul Argonne pentru Nanomateriale Centrul pentru Nanomateriale, unul dintre cele cinci centre de cercetare a nanotehnologiei energetice din SUA, este prima instituție națională de utilizator pentru cercetarea interdisciplinară la nano -scală susținută de Departamentul de Știință al Departamentului pentru Energie al SUA. Împreună, NSRC-urile formează o suită de facilități complementare care oferă cercetătorilor capacități de ultimă generație pentru fabricarea, prelucrarea, caracterizarea și modelarea materialelor la nano-scală și reprezintă cea mai mare investiție în infrastructură în cadrul Inițiativei Naționale a Nanotehnologiei. NSRC este situat la Departamentul de Energie al Laboratoarelor Naționale din SUA din Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia și Los Alamos. Pentru mai multe informații despre NSRC DOE, vizitați https: // știință .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie s-la -a o privire.
Sursa de foton avansată a Departamentului Energiei din SUA (APS) de la Laboratorul Național Argonne este una dintre cele mai productive surse de raze X din lume. APS oferă raze X de intensitate ridicată unei comunități de cercetare diversă în știința materialelor, chimie, fizică condensată, științe de viață și de mediu și cercetare aplicată. Aceste raze X sunt ideale pentru studierea materialelor și a structurilor biologice, distribuția elementelor, stărilor chimice, magnetice și electronice și sisteme de inginerie importante din punct de vedere tehnic de tot felul, de la baterii până la duze injectoare, care sunt vitale pentru economia noastră națională, tehnologie. și corp la baza sănătății. În fiecare an, peste 5.000 de cercetători folosesc APS pentru a publica peste 2.000 de publicații care detaliază descoperiri importante și rezolvând structuri proteice biologice mai importante decât utilizatorii oricărui alt centru de cercetare cu raze X. Oamenii de știință și inginerii APS implementează tehnologii inovatoare care stau la baza îmbunătățirii performanței acceleratorilor și surselor de lumină. Aceasta include dispozitive de intrare care produc raze X extrem de luminoase apreciate de cercetători, lentile care concentrează razele X până la câteva nanometri, instrumente care maximizează modul în care razele X interacționează cu eșantionul studiat, iar colectarea și gestionarea APS Discoveries Research generează volume de date uriașe.
Acest studiu a utilizat resurse de la Advanced Photon Source, un Departamentul de Energie al SUA al Centrului de Utilizator al Științei din SUA, operat de Laboratorul Național Argonne pentru Departamentul de Științe al Departamentului de Energie al SUA în cadrul numărului de contract De-AC02-06CH11357.
Laboratorul Național Argonne se străduiește să rezolve problemele presante ale științei și tehnologiei interne. Fiind primul laborator național din Statele Unite, Argonne desfășoară cercetări de bază și aplicate de ultimă oră în aproape fiecare disciplină științifică. Cercetătorii Argonne lucrează îndeaproape cu cercetătorii din sute de companii, universități și agenții federale, de stat și municipale pentru a -i ajuta să rezolve probleme specifice, să avanseze conducerea științifică a SUA și să pregătească națiunea pentru un viitor mai bun. Argonne angajează angajați din peste 60 de țări și este operat de Uchicago Argonne, LLC, de la Oficiul Științei Departamentului de Energie al SUA.
Oficiul de Știință al Departamentului de Energie al SUA este cel mai mare susținător al națiunii de cercetare de bază în științele fizice, lucrând pentru a aborda unele dintre cele mai presante probleme ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați https: // energie .gov/știință ience.