Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au o lungă istorie de descoperiri de pionierat 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 Argonne au realizat o nouă descoperire în catozii NMC. Noua structură de particule catodice minuscule a echipei ar putea face bateria mai durabilă și mai sigură, capabilă să funcționeze la tensiuni foarte înalte și să ofere intervale de deplasare mai lungi.
„Acum avem îndrumări pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a produce materiale catodice de înaltă presiune, fără margini”, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Catozii NMC existenți reprezintă un obstacol major pentru lucrul la înaltă tensiune”, a spus chimistul asistent Guiliang Xu. Cu cicluri de încărcare-descărcare, performanța scade rapid din cauza formării de fisuri în particulele catodului. De zeci de ani, cercetătorii în baterii au căutat modalități de a repara aceste fisuri.
O metodă în trecut folosea particule minuscule sferice compuse din multe particule mult mai mici. Particulele sferice mari sunt policristaline, cu domenii cristaline de diferite orientări. Drept urmare, au ceea ce oamenii de știință numesc granițe între particule, ceea ce poate cauza crăparea bateriei în timpul unui ciclu. Pentru a preveni acest lucru, colegii lui Xu și Argonne au dezvoltat anterior o acoperire polimerică de protecție în jurul fiecărei particule. Această acoperire înconjoară particulele sferice mari și particulele mai mici din ele.
O altă modalitate de a evita acest tip de fisurare este utilizarea particulelor de un singur cristal. Microscopia electronică a acestor particule a arătat că nu au granițe.
Problema echipei a fost că catozii fabricați din policristale acoperite și monocristale încă s-au crăpat în timpul pedalării. Prin urmare, au efectuat o analiză extinsă a acestor materiale catodice la Advanced Photon Source (APS) și la Centrul pentru Nanomateriale (CNM) de la Centrul de Știință Argonne al Departamentului de Energie al SUA.
Pe cinci brațe APS au fost efectuate diferite analize cu raze X (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C și 34-ID-E). Se pare că ceea ce oamenii de știință credeau că este un singur cristal, așa cum arată microscopia electronică și cu raze X, avea de fapt o graniță în interior. Microscopia electronică de scanare și transmisie a CNM-urilor a confirmat această concluzie.
„Când ne-am uitat la morfologia de suprafață a acestor particule, ele arătau ca niște cristale simple”, a spus 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廯戥加速器X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 咶 朗 抶 朗 同步 加速器们 发现 边界 隐藏 在。”„Cu toate acestea, când am folosit o tehnică numită microscopie cu difracție de raze X cu sincrotron și alte tehnici la APS, am descoperit că granițele erau ascunse în interior.”
Important este că echipa a dezvoltat o metodă de a produce cristale simple fără limite. Testarea celulelor mici cu acest catod monocristal la tensiuni foarte înalte a arătat o creștere cu 25% a stocării de energie pe unitate de volum, practic fără pierderi de performanță peste 100 de cicluri de testare. În schimb, catozii NMC compuși din monocristale cu interfețe multiple sau policristale acoperite au prezentat o scădere a capacității de la 60% la 88% pe aceeași durată de viață.
Calculele la scară atomică dezvăluie mecanismul de reducere a capacității catodice. Potrivit Mariei Chang, un nanoscientist la CNM, granițele sunt mai susceptibile de a pierde atomi de oxigen atunci când bateria este încărcată decât zonele mai îndepărtate de ele. Această pierdere de oxigen duce la degradarea ciclului celular.
„Calculele noastre arată cum limita poate duce la eliberarea oxigenului 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 linii directoare pe care producătorii de baterii le pot folosi pentru a face materiale catodice care nu au limite 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。”„Orientările ar trebui să se aplice 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, Ming Du și Zonghai 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 al Departamentului de Energie din SUA, este prima instituție națională de utilizare pentru cercetare interdisciplinară la scară nanometrică, susținută de Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA. Împreună, NSRC formează o suită de facilități complementare care oferă cercetătorilor capacități de ultimă generație pentru fabricarea, procesarea, caracterizarea și modelarea materialelor la scară nanometrică și reprezintă cea mai mare investiție în infrastructură în cadrul Inițiativei Naționale de 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 NSRC DOE, vizitați 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.
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 diverse de cercetare în știința materialelor, chimie, fizica materiei condensate, științe ale vieții și ale mediului și cercetare aplicată. Aceste raze X sunt ideale pentru studierea materialelor și structurilor biologice, a distribuției elementelor, a stărilor chimice, magnetice și electronice și a sistemelor de inginerie importante din punct de vedere tehnic de toate tipurile, de la baterii până la duzele injectoarelor de combustibil, care sunt vitale pentru economia noastră națională, tehnologie. . și corpul Baza sănătății. În fiecare an, peste 5.000 de cercetători folosesc APS pentru a publica mai mult de 2.000 de publicații care detaliază descoperiri importante și rezolvă structuri de proteine ​​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 acceleratoarelor și a surselor de lumină. Acestea includ dispozitive de intrare care produc raze X extrem de strălucitoare 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 folosit resurse de la Advanced Photon Source, un Centru de Utilizatori al Biroului de Știință al Departamentului de Energie din SUA, operat de Laboratorul Național Argonne pentru Departamentul de Energie al Biroului de Știință al SUA, cu numărul de contract DE-AC02-06CH11357.
Laboratorul Național Argonne se străduiește să rezolve problemele stringente ale științei și tehnologiei interne. Fiind primul laborator național din Statele Unite, Argonne efectuează cercetări de bază și aplicate de ultimă oră în aproape fiecare disciplină științifică. Cercetătorii Argonne lucrează îndeaproape cu cercetători de la sute de companii, universități și agenții federale, de stat și municipale pentru a-i ajuta să rezolve probleme specifice, să promoveze conducerea științifică a 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 al Biroului de Știință al Departamentului Energiei din SUA.
Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA este cel mai mare susținător al națiunii de cercetare de bază în științe fizice, lucrând pentru a aborda unele dintre cele mai presante probleme ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați https://​energy​.gov/​science​ience.