JAV Energetikos departamento (DOE) Argonne nacionalinės laboratorijos tyrėjai turi ilgą novatoriškų atradimų istoriją ličio jonų baterijų srityje. Daugelis šių rezultatų yra skirti akumuliatoriaus katodui, vadinamam NMC, nikelio manganu ir kobalto oksidu. Dabar akumuliatorius su šiuo katodu maitina „Chevrolet“ varžtą.
Argonne tyrėjai pasiekė dar vieną proveržį NMC katoduose. Naujoji komandos mažytė katodo dalelių struktūra gali padaryti akumuliatorių patvaresnę ir saugesnę, galinti veikti esant labai aukštai įtampai ir suteikti ilgesnius kelionių diapazonus.
„Dabar mes turime patarimų, kuriuos akumuliatorių gamintojai gali naudoti kurdami aukšto slėgio, be sienų katodinių medžiagų“,-„Argonne“ kolega Emeritas Khalil Amin.
„Esami NMC katodai sukelia didelę kliūtį aukštos įtampos darbams“, - sakė chemiko padėjėjas Guiliang Xu. Vykdant įkrovos ištrauką, veikimas greitai sumažėja dėl katodo dalelių įtrūkimų susidarymo. Dešimtmečius akumuliatorių tyrėjai ieškojo būdų, kaip taisyti šiuos įtrūkimus.
Anksčiau vienas metodas naudojo mažytes sferines daleles, sudarytas iš daugybės daug mažesnių dalelių. Didelės sferinės dalelės yra polikristalinės, turinčios įvairių orientacijų kristalinius domenus. Dėl to jie turi tai, ką mokslininkai vadina grūdų ribomis tarp dalelių, dėl kurių akumuliatorius gali nulaužti ciklo metu. Norėdami to išvengti, Xu ir Argonne kolegos anksčiau buvo sukūrę apsauginę polimerą aplink kiekvieną dalelę. Ši danga supa dideles sferines daleles ir mažesnes daleles.
Kitas būdas išvengti tokio pobūdžio įtrūkimų yra naudoti pavienių kristalų daleles. Šių dalelių elektroninė mikroskopija parodė, kad jos neturi ribų.
Komandos problema buvo ta, kad katodai, pagaminti iš dengtų policristalų, ir pavieniai kristalai, vis dar nulaužti dviračių metu. Todėl jie atliko išsamią šių katodinių medžiagų analizę pažengusiame fotonų šaltinyje (APS) ir Nanomedžiagų centrą (CNM) JAV Energetikos departamento Argonne mokslo centre.
Įvairios rentgeno spindulių analizės buvo atliktos penkiose APS grupėse (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ir 34-ID-E). Pasirodo, tai, ką mokslininkai manė, buvo vienas kristalas, kaip parodyta elektronų ir rentgeno mikroskopija, iš tikrųjų turėjo ribą. CNM skenavimo ir perdavimo elektronų mikroskopija patvirtino šią išvadą.
„Kai pažvelgėme į šių dalelių paviršiaus morfologiją, jos atrodė kaip pavieniai kristalai“, - sakė fizikas 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 技术 和 其他 时 ， 我们 我们 发现 边界 边界 隐藏 隐藏 在。“„Tačiau kai mes naudojome techniką, vadinamą„ Synchrotron “rentgeno spindulių difrakcijos mikroskopija ir kitomis APS metodais, mes nustatėme, kad ribos buvo paslėptos viduje“.
Svarbu tai, kad komanda sukūrė metodą, kaip gaminti pavienius kristalus be ribų. Išbandžius mažas ląsteles su šiuo vieno kristalų katodu esant labai aukštai įtampai, padidėjo 25% energijos kaupimo tūrio vienetui, beveik neprarandant našumo per 100 bandymų ciklų. Priešingai, NMC katodai, sudaryti iš kelių tarpusavio vieno kristalų arba dengtų polikristalų, per tą patį gyvavimo laiką padidėjo nuo 60% iki 88%.
Atominės skalės skaičiavimai atskleidžia katodo talpos mažinimo mechanizmą. Pasak CNM nanomokslininko Maria Chang, ribos labiau linkusios prarasti deguonies atomus, kai akumuliatorius įkraunamas nei plotai, esantys toliau nuo jų. Šis deguonies praradimas lemia ląstelių ciklo skaidymą.
„Mūsų skaičiavimai rodo, kaip riba gali lemti deguonį, išsiskiriantį aukštu slėgiu, o tai gali sumažinti našumą“, - teigė Chanas.
Pašalinus ribą, deguonies evoliucija apsaugo nuo deguonies evoliucijos, taip pagerinant katodo saugumą ir ciklinį stabilumą. Deguonies evoliucijos matavimai su AP ir pažengusiu šviesos šaltiniu JAV energetikos departamento Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje patvirtina šią išvadą.
„Dabar mes turime gaires, kurias akumuliatorių gamintojai gali naudoti kurdami katodines medžiagas, kurios neturi ribų ir veikia esant aukštam slėgiui“, - teigė Argonne kolega emeritas Khalil Amin. 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。“„Gairės turėtų būti taikomos kitoms katodo medžiagoms nei NMC.“
Straipsnis apie šį tyrimą pasirodė žurnale „Nature Energy“. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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, and ZONGHAI CHEN. Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos (Wanli Yang, Qingtian Li ir Zengqing Zhuo) mokslininkai, Xiameno universitetas (Jing-Jing gerbėjas, Ling Huang ir Shi-Gang Sun) ir Tsinghua universitetas (Dongsheng Ren, Xuning Feng ir Mingao Ouyang).
Apie Argonne nanomedžiagų centrą Nanomedžiagų centras, vienas iš penkių JAV energetikos nanotechnologijų tyrimų centrų, yra pagrindinė nacionalinė vartotojų institucija tarpdisciplininių nanoskalės tyrimų, kuriuos remia JAV Energetikos departamento mokslo biuras. Kartu NSRC sudaro papildomų įrenginių rinkinį, kuris tyrėjams suteikia moderniausias galimybes gaminti, apdoroti, apibūdinti ir modeliuoti nanoskalės medžiagas ir atspindi didžiausias investicijas į infrastruktūrą pagal nacionalinę nanotechnologijų iniciatyvą. NSRC yra JAV energetikos departamento nacionalinių laboratorijų departamente Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ir Los Alamos. Norėdami gauti daugiau informacijos apie NSRC DOE, apsilankykite https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie ie s-į žvilgsnį.
Argonne nacionalinėje laboratorijoje JAV Energetikos departamento pažangių fotonų šaltinis (APS) yra vienas produktyviausių rentgeno spindulių šaltinių pasaulyje. APS teikia didelio intensyvumo rentgeno spindulius įvairiai tyrimų bendruomenei, susijusioje su medžiagų mokslo, chemijos, kondensuotos medžiagos fizika, gyvenimo ir aplinkos mokslų bei taikomųjų tyrimų srityje. Šie rentgeno spinduliai yra idealūs tiriant medžiagas ir biologines struktūras, elementų, cheminių, magnetinių ir elektroninių būsenų pasiskirstymą ir techniškai svarbias visų rūšių inžinerines sistemas-nuo baterijų iki degalų purkštukų, kurie yra gyvybiškai svarbūs mūsų nacionalinei ekonomikai, technologijoms. ir kūnas sveikatos pagrindas. Kiekvienais metais daugiau nei 5000 tyrėjų naudoja APS, norėdami paskelbti daugiau nei 2000 leidinių, kuriuose išsamiai aprašomi svarbūs atradimai ir išspręsdami svarbesnes biologinių baltymų struktūras nei bet kurio kito rentgeno tyrimų centro vartotojai. APS mokslininkai ir inžinieriai įgyvendina novatoriškas technologijas, kurios yra pagrindas pagerinti greitintuvų ir šviesos šaltinių veikimą. Tai apima įvesties įtaisus, kurie sukuria ypač ryškius rentgeno spindulius, kuriuos vertina tyrėjai, lęšiai, kuriuose rentgeno spinduliai nukreipia į keletą nanometrų, instrumentų, kurie maksimaliai padidina tai, kaip rentgeno spinduliai sąveikauja su tiriamu imtimi, ir APS atradimų rinkimo ir valdymo tyrimai generuoja didžiulius duomenų kiekius.
Šis tyrimas panaudojo JAV Energetikos departamento „Advanced Photon Source“ išteklius, kuriuos valdo Argonne Nacionalinė JAV Energetikos departamento Mokslo departamentas pagal sutarties numerį DE-AC02-06CH11357.
Argonne nacionalinė laboratorija siekia išspręsti aktualias vidaus mokslo ir technologijų problemas. Kaip pirmoji nacionalinė laboratorija JAV, Argonne atlieka pažangiausius pagrindinius ir taikomuosius tyrimus praktiškai kiekvienoje mokslinėje disciplinoje. Argonne tyrėjai glaudžiai bendradarbiauja su šimtų kompanijų, universitetų ir federalinių, valstijų ir savivaldybių agentūromis tyrėjais, kad padėtų jiems išspręsti konkrečias problemas, skatinti JAV mokslinę lyderystę ir paruošti tautą geresnei ateičiai. Argonne dirba darbuotojus iš daugiau nei 60 šalių, o jį valdo Uchicago Argonne, LLC iš JAV Energetikos departamento mokslo biuro.
JAV energetikos departamento mokslo biuras yra didžiausias tautos pagrindinių fizinių mokslų tyrimų šalininkas, siekiantis išspręsti keletą aktualiausių mūsų laikų klausimų. Norėdami gauti daugiau informacijos, apsilankykite https: // energetikos .gov/Science ience.