Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au o lungă istorie de descoperiri inovatoare în domeniul bateriilor litiu-ion. Multe dintre aceste rezultate sunt pentru catodul bateriei, numit NMC, nichel-mangan și oxid de cobalt. O baterie cu acest catod alimentează acum Chevrolet Bolt.
Cercetătorii de la Argonne au realizat o altă descoperire în domeniul catozilor NMC. Noua structură a echipei cu particule minuscule de catod ar putea face bateria mai durabilă și mai sigură, capabilă să funcționeze la tensiuni foarte mari și să ofere distanțe mai lungi.
„Acum avem îndrumări pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a realiza materiale catodice fără margini, rezistente la presiune înaltă”, a declarat Khalil Amin, membru emerit al Argonne.
„Catozii NMC existenți reprezintă un obstacol major pentru lucrările la înaltă tensiune”, a declarat chimistul asistent Guiliang Xu. Odată cu ciclurile de sarcină-descărcare, performanța scade rapid din cauza formării fisurilor în particulele catodice. Timp de decenii, cercetătorii din domeniul bateriilor au căutat modalități de a repara aceste fisuri.
O metodă utilizată în trecut folosea particule sferice minuscule compuse din multe particule mult mai mici. Particulele sferice mari sunt policristaline, cu domenii cristaline de diferite orientări. Drept urmare, ele au ceea ce oamenii de știință numesc limite de granule între particule, ceea ce poate provoca fisurarea bateriei în timpul unui ciclu. Pentru a preveni acest lucru, colegii lui Xu și Argonne au dezvoltat anterior un strat protector de polimer în jurul fiecărei particule. Acest strat înconjoară particulele sferice mari și particulele mai mici din interiorul lor.
O altă modalitate de a evita acest tip de fisurare este utilizarea particulelor monocristaline. Microscopia electronică a acestor particule a arătat că nu au limite.
Problema pentru echipă era că, în timpul ciclării, catozii realizați din policristale acoperite și monocristale încă se crăpau. Prin urmare, au efectuat analize ample ale acestor materiale catodice la Advanced Photon Source (APS) și la Centrul pentru Nanomateriale (CNM) din cadrul Centrului Științific Argonne al Departamentului de Energie al SUA.
Diverse analize cu raze X au fost efectuate pe cinci brațe APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C și 34-ID-E). Se pare că ceea ce oamenii de știință credeau a fi un monocristal, așa cum s-a demonstrat prin microscopia electronică și cu raze X, avea de fapt o limită interioară. Microscopia electronică cu scanare și transmisie a CNM-urilor a confirmat această concluzie.
„Când am analizat morfologia suprafeței acestor particule, acestea arătau ca niște monocristale”, a declarat fizicianul 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 的 微镜 的 微 镜 的 和 朗 抶 朗 同步 加速器我们 发现 边界 隐藏 在。”„Totuși, când am folosit o tehnică numită microscopie de difracție cu raze X sincrotron și alte tehnici la APS, am descoperit că limitele erau ascunse în interior.”
Este important de menționat că echipa a dezvoltat o metodă de producere a monocristalelor fără limite. Testarea unor celule mici cu acest catod monocristal la tensiuni foarte mari a arătat o creștere de 25% a stocării energiei pe unitatea de volum, practic fără nicio pierdere de performanță pe parcursul a 100 de cicluri de testare. În schimb, catozii NMC compuși din monocristale multi-interfață sau policristale acoperite au arătat o scădere a capacității de 60% până la 88% pe parcursul aceleiași durate de viață.
Calculele la scară atomică dezvăluie mecanismul reducerii capacității catodice. Potrivit Mariei Chang, nanocercetătoare la CNM, limitele sunt mai predispuse să piardă atomi de oxigen atunci când bateria este încărcată decât zonele mai îndepărtate de acestea. Această pierdere de oxigen duce la degradarea ciclului celular.
„Calculele noastre arată cum limita poate duce la eliberarea de oxigen la presiune ridicată, ceea ce poate duce la o performanță redusă”, a spus Chan.
Eliminarea limitei previne evoluția oxigenului, îmbunătățind astfel siguranța și stabilitatea ciclică a catodului. Măsurătorile evoluției oxigenului cu APS și o sursă de lumină avansată la Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului de Energie al SUA confirmă această concluzie.
„Acum avem îndrumări pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a realiza materiale catodice fără limite și care funcționează la presiune ridicată”, a declarat Khalil Amin, membru emerit al 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。”„Orientările ar trebui să se aplice și materialelor catodice, altele decât NMC.”
Un articol despre acest studiu a apărut în revista Nature Energy. Pe lângă Xu, Amin, Liu și Chang, autorii Argonne sunt 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, și Zhou Mhaiing Chen. Oameni de știință de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li și Zengqing Zhuo), Universitatea Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang și Shi-Gang Sun) și Universitatea Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng și Mingao Ouyang).
Despre Centrul Argonne pentru Nanomateriale Centrul pentru Nanomateriale, unul dintre cele cinci centre de cercetare în nanotehnologie ale Departamentului de Energie al SUA, este principala instituție națională utilizatoare pentru cercetarea interdisciplinară la nanoscală, susținută de Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA. Împreună, NSRC-urile formează o suită de facilități complementare care oferă cercetătorilor capacități de ultimă generație pentru fabricarea, procesarea, caracterizarea și modelarea materialelor la nanoscală și reprezintă cea mai mare investiție în infrastructură în cadrul Inițiativei Naționale pentru Nanotehnologie. NSRC este situat la Laboratoarele Naționale ale Departamentului de Energie al SUA din Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia și Los Alamos. Pentru mai multe informații despre Departamentul de Energie al NSRC, vizitați https://science.osti.gov/User-F-F-c-i-lit-ie-s/User-F-c-i-l-it-ie-s-at-a-Glance.
Sursa Avansată de Fotoni (APS) a Departamentului de Energie al SUA de la Laboratorul Național Argonne este una dintre cele mai productive surse de raze X din lume. APS furnizează raze X de mare intensitate unei comunități de cercetare diverse în știința materialelor, chimie, fizica materiei condensate, științele vieții și ale mediului, precum și cercetare aplicată. Aceste raze X sunt ideale pentru studierea materialelor și a structurilor biologice, a distribuției elementelor, a stărilor chimice, magnetice și electronice și a sistemelor inginerești importante din punct de vedere tehnic de toate tipurile, de la baterii la duzele injectoarelor de combustibil, care sunt vitale pentru economia națională, tehnologia și organismul nostru, 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 rezolvă structuri proteice biologice mai importante decât utilizatorii oricărui alt centru de cercetare în raze X. Oamenii de știință și inginerii APS implementează tehnologii inovatoare care stau la baza îmbunătățirii performanței acceleratoarelor și a surselor de lumină. Aceasta include dispozitive de intrare care produc raze X extrem de luminoase, apreciate de cercetători, lentile care focalizează razele X până la câțiva nanometri, instrumente care maximizează modul în care razele X interacționează cu proba studiată și colectarea și gestionarea descoperirilor APS. Cercetarea generează volume uriașe de date.
Acest studiu a utilizat resurse de la Advanced Photon Source, un Centru de Utilizare al Biroului de Știință al Departamentului de Energie al SUA, operat de Laboratorul Național Argonne pentru Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA, sub contractul numărul 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 fundamentale și aplicate de ultimă generație în aproape fiecare disciplină științifică. Cercetătorii de la Argonne lucrează îndeaproape cu cercetători din sute de companii, universități și agenții federale, statale și municipale pentru a-i ajuta să rezolve probleme specifice, să promoveze leadershipul științific al SUA și să pregătească națiunea pentru un viitor mai bun. Argonne are angajați din peste 60 de țări și este operat de UChicago Argonne, LLC din cadrul Biroului de Știință al Departamentului de Energie al SUA.
Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA este cel mai mare susținător al cercetării fundamentale în științele fizice din țară, lucrând pentru a aborda unele dintre cele mai presante probleme ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați https://energy.gov/scienceience.