Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) imaju dugu istoriju pionirskih otkrića u oblasti litijum-jonskih baterija. Mnogi od ovih rezultata odnose se na katodu baterije, nazvanu NMC, nikl-mangan i kobalt oksid. Baterija sa ovom katodom sada napaja Chevrolet Bolt.
Argonne istraživači su postigli još jedan proboj u NMC katodama. Nova struktura sićušnih katodnih čestica tima mogla bi učiniti bateriju izdržljivijom i sigurnijom, sposobnom da radi na vrlo visokim naponima i pruži veće domete putovanja.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala pod visokim pritiskom bez ivica“, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Postojeće NMC katode predstavljaju veliku prepreku za rad na visokom naponu", rekao je pomoćni hemičar Guiliang Xu. S ciklusom punjenja-pražnjenja, performanse brzo opadaju zbog stvaranja pukotina u česticama katode. Decenijama istraživači baterija traže načine da poprave ove pukotine.
Jedna metoda u prošlosti koristila je sitne sferične čestice sastavljene od mnogo mnogo manjih čestica. Velike sferne čestice su polikristalne, sa kristalnim domenima različite orijentacije. Kao rezultat toga, oni imaju ono što naučnici nazivaju granicama zrna između čestica, što može uzrokovati pucanje baterije tokom ciklusa. Da bi to spriječili, Xu i Argonneove kolege su prethodno razvili zaštitni polimerni premaz oko svake čestice. Ovaj premaz okružuje velike sferne čestice i manje čestice unutar njih.
Drugi način da se izbjegne ova vrsta pucanja je korištenje čestica monokristala. Elektronska mikroskopija ovih čestica pokazala je da one nemaju granice.
Problem za tim bio je taj što su katode napravljene od obloženih polikristala i monokristala i dalje pucale tokom ciklusa. Stoga su sproveli opsežnu analizu ovih katodnih materijala u Advanced Photon Source (APS) i Centru za nanomaterijale (CNM) u Argonne naučnom centru američkog Ministarstva energetike.
Urađene su različite rendgenske analize na pet APS krakova (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Ispostavilo se da ono što su naučnici mislili da je monokristal, kao što su pokazali elektronska i rendgenska mikroskopija, zapravo ima granicu unutra. Skenirajuća i transmisiona elektronska mikroskopija CNM-a potvrdila je ovaj zaključak.
"Kada smo pogledali morfologiju površine ovih čestica, izgledale su kao pojedinačni kristali", rekao je fizičar 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寻技术寻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 技们 发现 边界 隐藏 在。”“Međutim, kada smo koristili tehniku ​​koja se zove sinhrotronska rendgenska difrakcijska mikroskopija i druge tehnike u APS-u, otkrili smo da su granice skrivene unutra.”
Važno je da je tim razvio metodu za proizvodnju pojedinačnih kristala bez granica. Testiranje malih ćelija sa ovom monokristalnom katodom na veoma visokim naponima pokazalo je povećanje od 25% u skladištenju energije po jedinici zapremine bez praktički bez gubitka u performansama tokom 100 ciklusa ispitivanja. Nasuprot tome, NMC katode sastavljene od monokristala sa više interfejsa ili obloženih polikristala su pokazale pad kapaciteta od 60% do 88% tokom istog veka trajanja.
Proračuni atomske skale otkrivaju mehanizam smanjenja katodnog kapaciteta. Prema Maria Chang, nanoznanstvenici u CNM-u, veća je vjerovatnoća da će granice izgubiti atome kisika kada se baterija napuni nego područja koja su udaljenija od njih. Ovaj gubitak kiseonika dovodi do degradacije ćelijskog ciklusa.
"Naši proračuni pokazuju kako granica može dovesti do oslobađanja kisika pod visokim pritiskom, što može dovesti do smanjenih performansi", rekao je Chan.
Uklanjanje granice sprječava evoluciju kisika, čime se poboljšava sigurnost i ciklička stabilnost katode. Mjerenja evolucije kisika pomoću APS-a i naprednog izvora svjetlosti u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley pri Ministarstvu energetike SAD-a potvrđuju ovaj zaključak.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala koji nemaju granica i rade pod visokim pritiskom“, rekao je 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。”“Smjernice bi se trebale primjenjivati ​​na katodne materijale osim NMC.”
Članak o ovoj studiji pojavio se u časopisu Nature Energy. Pored Xua, Amina, Liua i Changa, autori Argone su 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 i Zonghai Chen. Naučnici iz Nacionalne laboratorije Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Univerziteta Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang i Shi-Gang Sun) i Tsinghua univerziteta (Dongsheng Ren, Xuning Feng i Mingao Ouyang).
O Argonne centru za nanomaterijale Centar za nanomaterijale, jedan od pet istraživačkih centara za nanotehnologiju američkog Ministarstva energetike, je glavna nacionalna korisnička institucija za interdisciplinarna istraživanja na nanomaterijalima uz podršku Kancelarije za nauku Ministarstva energetike SAD. Zajedno, NSRC-ovi čine skup komplementarnih objekata koji istraživačima pružaju najsavremenije mogućnosti za proizvodnju, obradu, karakterizaciju i modeliranje materijala u nanorazmjerima i predstavljaju najveću infrastrukturnu investiciju u okviru Nacionalne inicijative za nanotehnologiju. NSRC se nalazi u nacionalnim laboratorijama američkog Ministarstva energetike u Argonneu, Brookhavenu, Lawrence Berkeleyu, Oak Ridgeu, Sandiji i Los Alamosu. Za više informacija o NSRC DOE, posjetite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ ​er​-​F​a​i​l​it​ie​ie​-​na​-pogled.
Napredni izvor fotona (APS) američkog Ministarstva energetike u Argonne National Laboratory jedan je od najproduktivnijih izvora rendgenskih zraka na svijetu. APS pruža rendgenske zrake visokog intenziteta raznolikoj istraživačkoj zajednici u nauci o materijalima, hemiji, fizici kondenzirane materije, nauci o životu i životnoj sredini i primijenjenim istraživanjima. Ovi rendgenski zraci su idealni za proučavanje materijala i bioloških struktura, distribucije elemenata, hemijskih, magnetnih i elektronskih stanja i tehnički važnih inženjerskih sistema svih vrsta, od baterija do mlaznica za ubrizgavanje goriva, koji su od vitalnog značaja za našu nacionalnu ekonomiju, tehnologiju . i tijelo Osnova zdravlja. Svake godine više od 5.000 istraživača koristi APS za objavljivanje više od 2.000 publikacija u kojima se detaljno opisuju važna otkrića i rješavaju važnije strukture bioloških proteina nego korisnici bilo kojeg drugog centra za istraživanje rendgenskih zraka. Naučnici i inženjeri APS-a implementiraju inovativne tehnologije koje su osnova za poboljšanje performansi akceleratora i izvora svjetlosti. Ovo uključuje ulazne uređaje koji proizvode izuzetno svijetle rendgenske zrake koje cijene istraživači, sočiva koja fokusiraju rendgenske zrake do nekoliko nanometara, instrumente koji maksimiziraju način na koji rendgenske zrake komuniciraju s uzorkom koji se proučava, te prikupljanje i upravljanje APS otkrićima. Istraživanje generiše ogromne količine podataka.
Ova studija je koristila resurse Advanced Photon Source, korisničkog centra američkog Ministarstva energetike, Kancelarije za nauku, kojim upravlja Nacionalna laboratorija Argonne za Kancelariju za nauku Ministarstva energetike SAD pod brojem ugovora DE-AC02-06CH11357.
Nacionalna laboratorija Argonne nastoji riješiti goruće probleme domaće nauke i tehnologije. Kao prva nacionalna laboratorija u Sjedinjenim Državama, Argonne provodi vrhunska osnovna i primijenjena istraživanja u gotovo svim naučnim disciplinama. Istraživači iz Argonnea blisko sarađuju sa istraživačima iz stotina kompanija, univerziteta i saveznih, državnih i opštinskih agencija kako bi im pomogli da reše specifične probleme, unaprede američko naučno vođstvo i pripreme naciju za bolju budućnost. Argonne zapošljava zaposlenike iz preko 60 zemalja i njime upravlja UChicago Argonne, LLC iz Ureda za nauku američkog Ministarstva energetike.
Kancelarija za nauku američkog Ministarstva energetike je najveći nacionalni zagovornik osnovnih istraživanja u fizičkim naukama, koji radi na rešavanju nekih od najhitnijih pitanja našeg vremena. Za više informacija posjetite https://​energy​.gov/​science​ience.