Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Argonne pri Ministarstvu energetike SAD-a (DOE) imaju dugu historiju pionirskih otkrića u oblasti litijum-jonskih baterija. Mnogi od ovih rezultata odnose se na katodu baterije, nazvanu NMC, nikl-mangan i kobalt-oksid. Baterija s ovom katodom sada napaja Chevrolet Bolt.
Istraživači iz Argonnea postigli su još jedan proboj u području NMC katoda. Nova struktura sitnih čestica katode koju je ovaj tim razvio mogla bi učiniti bateriju izdržljivijom i sigurnijom, sposobnom za rad na vrlo visokim naponima i omogućiti duži domet.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu visokotlačnih, bezgraničnih katodnih materijala“, rekao je Khalil Amin, zaslužni član Argonne fondacije.
„Postojeće NMC katode predstavljaju veliku prepreku za rad na visokom naponu“, rekao je pomoćni hemičar Guiliang Xu. Kod ciklusa punjenja i pražnjenja, performanse naglo opadaju zbog stvaranja pukotina u česticama katode. Decenijama su istraživači baterija tražili načine za popravak ovih pukotina.
Jedna metoda u prošlosti koristila je sitne sferne čestice sastavljene od mnogo mnogo manjih čestica. Velike sferne čestice su polikristalne, s kristalnim domenima različitih orijentacija. Kao rezultat toga, 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 nemaju granice.
Problem za tim je bio što su katode napravljene od obloženih polikristala i monokristala i dalje pucale tokom ciklusa. Stoga su proveli opsežnu analizu ovih katodnih materijala u Centru za napredni izvor fotona (APS) i Centru za nanomaterijale (CNM) u Naučnom centru Argonne pri Ministarstvu energetike SAD-a.
Različite rendgenske analize su izvršene na pet APS grana (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Ispostavilo se da je ono što su naučnici smatrali monokristalom, kako je pokazano elektronskom i rendgenskom mikroskopijom, zapravo imalo granicu unutra. Skenirajuća i transmisijska elektronska mikroskopija CNM-ova potvrdile su ovaj zaključak.
„Kada smo pogledali površinsku morfologiju ovih čestica, izgledale su kao monokristali“, 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 技我们 发现 边界 隐藏 在。”„Međutim, kada smo u APS-u koristili tehniku ​​koja se zove sinhrotronska rendgenska difrakcijska mikroskopija i druge tehnike, otkrili smo da su granice skrivene unutra.“
Važno je napomenuti da je tim razvio metodu za proizvodnju monokristala bez granica. Testiranje malih ćelija s ovom monokristalnom katodom na vrlo visokim naponima pokazalo je povećanje skladištenja energije po jedinici volumena od 25% bez praktičnog gubitka performansi tokom 100 ciklusa testiranja. Nasuprot tome, NMC katode sastavljene od višeslojnih monokristala ili obloženih polikristala pokazale su pad kapaciteta od 60% do 88% tokom istog vijeka trajanja.
Proračuni na atomskoj skali otkrivaju mehanizam smanjenja kapacitivnosti katode. Prema Mariji Chang, nanoznanstvenici na CNM-u, granice imaju veću vjerovatnoću da izgube atome kisika kada se baterija puni nego područja udaljenija od njih. Ovaj gubitak kisika 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 izdvajanje kisika, čime se poboljšava sigurnost i ciklička stabilnost katode. Mjerenja izdvajanja kisika pomoću APS-a i naprednog izvora svjetlosti u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley pri američkom Ministarstvu energetike potvrđuju ovaj zaključak.
„Sada imamo smjernice koje proizvođači baterija mogu koristiti za izradu katodnih materijala koji nemaju ograničenja i rade pod visokim pritiskom“, rekao je Khalil Amin, zaslužni član Argonne fondacije. 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 koji nisu NMC."
Članak o ovoj studiji pojavio se u časopisu Nature Energy. Pored Xua, Amina, Liua i Changa, autori iz 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, Mhai Dunho Sung, Ta Cheng 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 pri Ministarstvu energetike SAD-a, vodeća je nacionalna korisnička institucija za interdisciplinarna istraživanja u nanoskalnim područjima koju podržava Ured za nauku Ministarstva energetike SAD-a. Zajedno, NSRC-ovi čine skup komplementarnih objekata koji istraživačima pružaju najsavremenije mogućnosti za izradu, obradu, karakterizaciju i modeliranje nanoskalnih materijala i predstavljaju najveću infrastrukturnu investiciju u okviru Nacionalne inicijative za nanotehnologiju. NSRC se nalazi u Nacionalnim laboratorijama Ministarstva energetike SAD-a u Argonneu, Brookhavenu, Lawrence Berkeleyju, 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​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Napredni fotonski izvor (APS) američkog Ministarstva energetike u Nacionalnoj laboratoriji Argonne jedan je od najproduktivnijih izvora rendgenskih zraka na svijetu. APS pruža visokointenzivne rendgenske zrake raznolikoj istraživačkoj zajednici u oblasti nauke o materijalima, hemije, fizike kondenzovane materije, prirodnih i ekoloških nauka, te primijenjenih istraživanja. Ovi rendgenski zraci idealni su za proučavanje materijala i bioloških struktura, distribucije elemenata, hemijskih, magnetskih i elektronskih stanja i tehnički važnih inženjerskih sistema svih vrsta, od baterija do mlaznica za ubrizgavanje goriva, koje su vitalne 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 koje detaljno opisuju važna otkrića i rješavaju važnije biološke strukture proteina od korisnika 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. To uključuje ulazne uređaje koji proizvode izuzetno svijetle rendgenske zrake koje istraživači cijene, leće koje fokusiraju rendgenske zrake do nekoliko nanometara, instrumente koji maksimiziraju način na koji rendgenski zraci interaguju s uzorkom koji se proučava, te prikupljanje i upravljanje otkrićima APS-a. Istraživanje generira ogromne količine podataka.
U ovoj studiji korišteni su resursi iz Advanced Photon Source, korisničkog centra Ureda za nauku Ministarstva energetike SAD-a kojim upravlja Nacionalna laboratorija Argonne za Ured za nauku Ministarstva energetike SAD-a pod ugovorom broj DE-AC02-06CH11357.
Nacionalna laboratorija Argonne teži rješavanju gorućih problema domaće nauke i tehnologije. Kao prva nacionalna laboratorija u Sjedinjenim Američkim Državama, Argonne provodi najsavremenija osnovna i primijenjena istraživanja u gotovo svakoj naučnoj disciplini. Istraživači Argonnea blisko sarađuju sa istraživačima iz stotina kompanija, univerziteta i saveznih, državnih i opštinskih agencija kako bi im pomogli u rješavanju specifičnih problema, unapređenju američkog naučnog liderstva i pripremi nacije za bolju budućnost. Argonne zapošljava radnike iz preko 60 zemalja, a njome upravlja UChicago Argonne, LLC, pri Uredu za nauku Ministarstva energetike SAD-a.
Ured za nauku Ministarstva energetike SAD-a najveći je nacionalni zagovornik osnovnih istraživanja u fizičkim naukama, radeći na rješavanju nekih od najhitnijih problema našeg vremena. Za više informacija posjetite https://energy.gov/scienceience.