Истражувачите од Националната лабораторија Argonne на Министерството за енергетика на САД (DOE) имаат долга историја на пионерски откритија во областа на литиум-јонските батерии. Многу од овие резултати се за катодата на батеријата, наречена NMC, никел манган и кобалт оксид. Батеријата со оваа катода сега го напојува Chevrolet Bolt.
Истражувачите на Argonne постигнаа уште еден пробив во NMC катодите. Новата структура на малите катодни честички на тимот може да ја направи батеријата поиздржлива и побезбедна, способна да работи на многу висок напон и да обезбеди подолг опсег на патување.
„Сега имаме насоки што производителите на батерии можат да ги користат за да направат катодни материјали под висок притисок и без граници“, Калил Амин, почесен соработник на Argonne.
„Постоечките NMC катоди претставуваат голема пречка за работата на висок напон“, рече помошникот хемичар Гуилијанг Ксу. Со циклусот на полнење-празнење, перформансите брзо се намалуваат поради формирањето на пукнатини во честичките на катодата. Со децении, истражувачите на батерии бараа начини да ги поправат овие пукнатини.
Еден метод во минатото користел ситни сферични честички составени од многу многу помали честички. Големите сферични честички се поликристални, со кристални домени со различни ориентации. Како резултат на тоа, тие го имаат она што научниците го нарекуваат граници на зрната помеѓу честичките, што може да предизвика пукање на батеријата за време на еден циклус. За да се спречи ова, колегите на Ксу и Аргон претходно развија заштитна полимерна обвивка околу секоја честичка. Оваа обвивка опкружува големи сферични честички и помали честички во нив.
Друг начин да се избегне овој вид на пукање е да се користат честички со единечни кристали. Електронската микроскопија на овие честички покажа дека немаат граници.
Проблемот за тимот беше што катодите направени од обложени поликристали и единечни кристали сè уште пукаа за време на возењето велосипед. Затоа, тие спроведоа опсежна анализа на овие катодни материјали во Напредниот извор на фотони (APS) и Центарот за наноматеријали (CNM) во научниот центар Аргон на Министерството за енергетика на САД.
Беа извршени различни рендгенски анализи на пет краци APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Излегува дека она што научниците мислеле дека е еден кристал, како што е прикажано со електронска и рендген микроскопија, всушност имало граница внатре. Скенирањето и преносната електронска микроскопија на CNM го потврди овој заклучок.
„Кога ја погледнавме површинската морфологија на овие честички, тие изгледаа како единечни кристали“, рече физичарот Венџун Лиу. 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射线衍射显微镜的技术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。“„Сепак, кога користевме техника наречена синхротронска микроскопија со дифракција на Х-зраци и други техники во APS, откривме дека границите се скриени внатре“.
Поважно е тоа што тимот разви метод за производство на единечни кристали без граници. Тестирањето на малите ќелии со оваа еднокристална катода при многу високи напони покажа зголемување од 25% во складирањето на енергија по единица волумен со практично никакво губење на перформансите во текот на 100 тест циклуси. Спротивно на тоа, NMC катодите составени од единечни кристали со повеќе интерфејси или обложени поликристали покажаа пад на капацитетот од 60% до 88% во текот на истиот животен век.
Пресметките на атомската скала го откриваат механизмот на намалување на капацитетот на катодата. Според Марија Чанг, нанонаучник во CNM, границите се со поголема веројатност да ги изгубат атомите на кислород кога батеријата се полни, отколку областите подалеку од нив. Оваа загуба на кислород доведува до деградација на клеточниот циклус.
„Нашите пресметки покажуваат како границата може да доведе до ослободување на кислород при висок притисок, што може да доведе до намалени перформанси“, рече Чан.
Елиминирањето на границата ја спречува еволуцијата на кислородот, а со тоа ја подобрува безбедноста и цикличната стабилност на катодата. Мерењата на еволуцијата на кислородот со APS и напреден извор на светлина во Националната лабораторија Лоренс Беркли на Министерството за енергетика на САД го потврдуваат овој заклучок.
„Сега имаме упатства што производителите на батерии можат да ги користат за да направат катодни материјали кои немаат граници и работат под висок притисок“, рече Калил Амин, почесен соработник на 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。“„Насоките треба да важат за катодни материјали освен NMC“.
Напис за оваа студија се појави во списанието Nature Energy. Покрај Ксу, Амин, Лиу и Чанг, автори на Аргон се Ксијанг Лиу, Венката Сурија Чаитанја Колуру, Чен Жао, Ксинвеи Џоу, Јузи Лиу, Лианг Јинг, Амин Даали, Јанг Рен, Венчијан Ксу, Јунџинг Денг, Инхуи Хванг, Ченгџун Сун, Тао Џоу, Минг Ду и Зонгаи Чен. Научниците од Националната лабораторија Лоренс Беркли (Ванли Јанг, Кингтиан Ли и Зенгкинг Жуо), Универзитетот Ксиамен (Џинг-Џинг Фан, Линг Хуанг и Ши-Ганг Сун) и Универзитетот Цингхуа (Донгшенг Рен, Ксуинг Фенг и Мингао Оујанг).
За Центарот за наноматеријали Argonne Центарот за наноматеријали, еден од петте нанотехнолошки истражувачки центри на Министерството за енергетика на САД, е врвна национална корисничка институција за интердисциплинарни истражувања на нано размери, поддржана од Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД. Заедно, НСРЦ формираат пакет од комплементарни капацитети кои им обезбедуваат на истражувачите најсовремени способности за изработка, обработка, карактеризирање и моделирање на нано материјали и претставуваат најголема инфраструктурна инвестиција во рамките на Националната иницијатива за нанотехнологија. НСРЦ се наоѓа во националните лаборатории на Министерството за енергија на САД во Аргон, Брукхевен, Лоренс Беркли, Оук Риџ, Сандија и Лос Аламос. За повеќе информации за NSRC DOE, посетете https://​science​.osti​.gov/​User​-​Fa​c​i​lit​​​ie​s​/ Нас er-FacIlitie ie-на-на-поглед.
Напредниот извор на фотони (APS) на американското Министерство за енергетика во Националната лабораторија Аргон е еден од најпродуктивните извори на Х-зраци во светот. APS обезбедува рендгенски зраци со висок интензитет на разновидна истражувачка заедница во науката за материјали, хемијата, физиката на кондензирана материја, науките за животот и животната средина и применетите истражувања. Овие рендгенски зраци се идеални за проучување материјали и биолошки структури, дистрибуција на елементи, хемиски, магнетни и електронски состојби и технички важни инженерски системи од секаков вид, од батерии до прскалки за инјектори за гориво, кои се од витално значење за нашата национална економија, технологија . и тело Основата на здравјето. Секоја година, повеќе од 5.000 истражувачи користат APS за да објават повеќе од 2.000 публикации во кои се детализирани важни откритија и се решаваат поважни структури на биолошки протеини отколку корисниците на кој било друг истражувачки центар за рендген. Научниците и инженерите на APS имплементираат иновативни технологии кои се основа за подобрување на перформансите на акцелераторите и изворите на светлина. Ова вклучува влезни уреди кои произведуваат исклучително светли рендгенски зраци ценети од истражувачите, леќи кои ги фокусираат рендгенските зраци до неколку нанометри, инструменти кои го максимизираат начинот на кој рендгенските зраци комуницираат со примерокот што се испитува и собирање и управување со откритијата на APS Истражувањето генерира огромни количини на податоци.
Оваа студија користеше ресурси од Advanced Photon Source, кориснички центар на Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД управувана од Националната лабораторија Argonne за Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД под договор со број DE-AC02-06CH11357.
Националната лабораторија Argonne се стреми да ги реши итните проблеми на домашната наука и технологија. Како прва национална лабораторија во Соединетите Држави, Argonne спроведува најсовремени основни и применети истражувања практично во секоја научна дисциплина. Истражувачите на Argonne тесно соработуваат со истражувачи од стотици компании, универзитети и федерални, државни и општински агенции за да им помогнат да решат конкретни проблеми, да го унапредат американското научно лидерство и да ја подготват нацијата за подобра иднина. Argonne вработува вработени од над 60 земји и е управуван од UChicago Argonne, LLC на Канцеларијата за наука на Министерството за енергија на САД.
Канцеларијата за наука на американското Министерство за енергетика е најголемиот поборник на нацијата за основни истражувања во физичките науки, кој работи на решавање на некои од најитните прашања на нашето време. За повеќе информации, посетете https://​energy​.gov/​science​ience.