Истражувачите во Националната лабораторија Аргон при 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. Батерија со оваа катода сега го напојува Chevrolet Bolt.
Истражувачите од Аргон постигнаа уште еден пробив во NMC катодите. Новата структура на мали катодни честички на тимот би можела да ја направи батеријата потрајна и побезбедна, способна да работи на многу високи напони и да обезбеди подолги растојанија.
„Сега имаме упатства што производителите на батерии можат да ги користат за да произведуваат материјали за катода без граници и под висок притисок“, Калил Амин, почесен соработник на Аргон.
„Постојните NMC катоди претставуваат голема пречка за работа со висок напон“, рече помошникот хемичар Гуилијанг Сју. Со цикличното полнење-празнење, перформансите брзо опаѓаат поради формирање на пукнатини во честичките на катодата. Со децении, истражувачите на батерии бараат начини за поправка на 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 имаат она што научниците го нарекуваат граници на зрната помеѓу честичките, што може да предизвика пукање на батеријата за време на циклусот. За да се спречи ова, колегите на Сју и Аргон претходно развиле заштитен полимерен слој околу секоја честичка. Овој слој ги опкружува големите сферични честички и помалите честички во нив.
Друг начин да се избегне ваков вид пукање е користење на монокристални честички. Електронската микроскопија на овие честички покажа дека тие немаат граници.
Проблемот за тимот беше што катодите направени од обложени поликристали и монокристали сè уште пукаа за време на циклусот. Затоа, тие спроведоа обемна анализа на овие катодни материјали во Напредниот извор на фотони (APS) и Центарот за наноматеријали (CNM) во Научниот центар Аргон при Министерството за енергетика на САД.
Различни рендгенски анализи беа извршени на пет APS краци (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Се покажа дека она што научниците го сметале за монокристал, како што е покажано со електронска и рендгенска микроскопија, всушност имало граница внатре. Скенирањето и трансмисионата електронска микроскопија на CNM го потврдија овој заклучок.
„Кога ја разгледавме 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。“„Сепак, кога користевме техника наречена синхротронска микроскопија со дифракција на Х-зраци и други техники во APS, откривме дека границите се скриени внатре.“
Важно е да се напомене дека тимот развил метод за производство на монокристали без граници. Тестирањето на мали ќелии со оваа монокристална катода при многу високи напони покажа зголемување од 25% во складирањето на енергија по единица волумен, практично без загуба на перформанси во текот на 100 тест циклуси. Спротивно на тоа, NMC катодите составени од повеќеинтерфејсни монокристали или обложени поликристали покажаа пад на капацитетот од 60% до 88% во текот на истиот животен век.
Пресметките на атомска скала го откриваат механизмот на намалување на катодниот капацитет. Според Марија Чанг, нанонаучник во CNM, границите имаат поголема веројатност да изгубат атоми на кислород кога батеријата е полна отколку областите што се подалеку од нив. Ова губење на кислород води до деградација на клеточниот циклус.
„Нашите пресметки покажуваат како границата може да доведе до ослободување на кислород под висок притисок, што може да доведе до намалени перформанси“, рече Чан.
Елиминирањето на границата спречува еволуција на кислород, со што се подобрува безбедноста и цикличната стабилност на катодата. Мерењата на еволуцијата на кислород со APS и напреден извор на светлина во Националната лабораторија Лоренс Беркли при 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 што немаат граници и работат под висок притисок“, рече Калил Амин, почесен соработник на Аргон. 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。“„Упатствата 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 Argonne 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, Женџунг, Ченџун, М. 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 Аргон Центарот за наноматеријали, еден од петте истражувачки центри за нанотехнологија при Министерството за енергетика на САД, е водечката национална корисничка институција за интердисциплинарни истражувања на наноразмер поддржани од Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД. Заедно, NSRC формираат пакет комплементарни капацитети кои им обезбедуваат на истражувачите најсовремени можности за производство, обработка, карактеризирање и моделирање на материјали од наноразмер и претставуваат најголема инвестиција во инфраструктурата во рамките на Националната иницијатива за нанотехнологија. NSRC се наоѓа во Националните лаборатории на Министерството за енергетика на САД во Аргон, Брукхејвен, Лоренс Беркли, Оук Риџ, Сандија и Лос Аламос. За повеќе информации за NSRC DOE, посетете ја страницата https://science.osti.gov/User-Faci-lit-itie-ies-at-a-Glance.
Напредниот извор на фотони (APS) на Министерството за енергетика на САД во Националната лабораторија Аргон е еден од најпродуктивните извори на Х-зраци во светот. APS обезбедува Х-зраци со висок интензитет за разновидна истражувачка заедница во науката за материјали, хемијата, физиката на кондензирана материја, науките за животот и животната средина и применетите истражувања. Овие Х-зраци се идеални за проучување на материјали и биолошки структури, дистрибуција на елементи, хемиски, магнетни и електронски состојби и технички важни инженерски системи од сите видови, од батерии до млазници за инјектори за гориво, кои се од витално значење за нашата национална економија, технологијата и телото. Секоја година, повеќе од 5.000 истражувачи го користат APS за да објават повеќе од 2.000 публикации со детали за важни откритија и решавање на поважни биолошки протеински структури од корисниците на кој било друг истражувачки центар за Х-зраци. Научниците и инженерите на APS имплементираат иновативни технологии кои се основа за подобрување на перформансите на забрзувачите и изворите на светлина. Ова вклучува влезни уреди што произведуваат екстремно светли Х-зраци што ги ценат истражувачите, леќи што ги фокусираат Х-зраците до неколку нанометри, инструменти што го максимизираат начинот на кој Х-зраците комуницираат со примерокот што се проучува и собирање и управување со откритија од APS. Истражувањата генерираат огромни количини на податоци.
Оваа студија користеше ресурси од Advanced Photon Source, кориснички центар на Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД, управуван од Националната лабораторија Аргон за Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД, според договор број DE-AC02-06CH11357.
Националната лабораторија Аргон се стреми да ги реши итни проблеми на домашната наука и технологија. Како прва национална лабораторија во Соединетите Американски Држави, Аргон спроведува најсовремени основни и применети истражувања во практично секоја научна дисциплина. Истражувачите од Аргон соработуваат тесно со истражувачи од стотици компании, универзитети и федерални, државни и општински агенции за да им помогнат да решат специфични проблеми, да го унапредат научното водство на САД и да ја подготват нацијата за подобра иднина. Аргон вработува вработени од над 60 земји и е управувана од UChicago Argonne, LLC од Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД.
Канцеларијата за наука при Министерството за енергетика на САД е најголемиот застапник во земјата за базични истражувања во физичките науки, работејќи на решавање на некои од најитните прашања на нашето време. За повеќе информации, посетете ја страницата https://energy.gov/science.