JAV Energetikos departamento (DOE) Argonne nacionalinės laboratorijos mokslininkai turi ilgą novatoriškų atradimų ličio jonų baterijų srityje istoriją. Daugelis šių rezultatų yra susiję su akumuliatoriaus katodu, vadinamu NMC, nikeliu manganu ir kobalto oksidu. Akumuliatorius su šiuo katodu dabar maitina „Chevrolet Bolt“.
Argonne tyrėjai pasiekė dar vieną NMC katodų proveržį. Komandos nauja mažų katodinių dalelių struktūra gali padaryti bateriją patvaresnę ir saugesnę, galinčią veikti esant labai aukštai įtampai ir užtikrinti ilgesnį kelionės diapazoną.
„Dabar turime gaires, kurias baterijų gamintojai gali naudoti gamindami aukšto slėgio, bekraštines katodines medžiagas“, – Khalilas Aminas, Argonne emeritas.
„Esami NMC katodai yra didelė kliūtis dirbant aukštoje įtampoje“, - sakė chemiko padėjėjas Guiliang Xu. Naudojant įkrovimo ir iškrovimo ciklą, našumas greitai krenta dėl katodo dalelių įtrūkimų. Dešimtmečius akumuliatorių tyrinėtojai ieško būdų, kaip ištaisyti šiuos įtrūkimus.
Vienas metodas praeityje naudojo mažas sferines daleles, sudarytas iš daug mažesnių dalelių. Didelės sferinės dalelės yra polikristalinės, turinčios įvairios orientacijos kristalinius domenus. Dėl to tarp dalelių jie turi tai, ką mokslininkai vadina grūdelių ribomis, dėl kurių akumuliatorius gali įtrūkti ciklo metu. Norėdami to išvengti, Xu ir Argonne kolegos anksčiau sukūrė apsauginę polimerinę dangą aplink kiekvieną dalelę. Ši danga supa dideles sferines daleles ir mažesnes daleles jose.
Kitas būdas išvengti tokio įtrūkimo yra naudoti monokristalines daleles. Šių dalelių elektroninė mikroskopija parodė, kad jos neturi ribų.
Komandos problema buvo ta, kad katodai, pagaminti iš padengtų polikristalų ir pavienių kristalų, vis dar įtrūko važiuojant dviračiu. Todėl jie atliko išsamią šių katodinių medžiagų analizę Pažangiajame fotonų šaltinyje (APS) ir nanomedžiagų centre (CNM) JAV Energetikos departamento Argonne mokslo centre.
Įvairios rentgeno analizės buvo atliktos penkioms APS rankoms (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ir 34-ID-E). Pasirodo, kad tai, ką mokslininkai laikė monokristalu, kaip parodė elektroninė ir rentgeno mikroskopija, iš tikrųjų turėjo ribą viduje. CNM nuskaitymo 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 射线衍射滊朮镜的技木微镜的技步加速器X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 在 在 微 镜 的 抒 微 镜 的们 发现 边界 隐藏 在。“„Tačiau, kai naudojome sinchrotroninės rentgeno difrakcijos mikroskopijos metodą ir kitus APS metodus, mes nustatėme, kad ribos buvo paslėptos viduje.
Svarbu tai, kad komanda sukūrė metodą monokristalams gaminti be ribų. Mažų elementų bandymas su šiuo vieno kristalo katodu esant labai aukštai įtampai parodė, kad energijos kaupimas vienam tūrio vienetui padidėjo 25 %, per 100 bandymo ciklų iš esmės neprarandant našumo. Priešingai, NMC katodai, sudaryti iš kelių sąsajų pavienių kristalų arba padengtų polikristalų, per tą patį eksploatavimo laiką sumažėjo nuo 60% iki 88%.
Atominės skalės skaičiavimai atskleidžia katodo talpos mažinimo mechanizmą. Pasak CNM nanomokslininkės Maria Chang, įkraunant bateriją didesnė tikimybė, kad ribos praras deguonies atomus nei toliau nuo jų esančios vietos. Šis deguonies praradimas sukelia ląstelių ciklo degradaciją.
„Mūsų skaičiavimai rodo, kaip ši riba gali sukelti deguonies išsiskyrimą esant aukštam slėgiui, o tai gali sumažinti našumą“, - sakė Chanas.
Ribos pašalinimas apsaugo nuo deguonies išsiskyrimo ir taip pagerina katodo saugumą ir ciklinį stabilumą. Deguonies evoliucijos matavimai naudojant APS ir pažangų šviesos šaltinį JAV Energetikos departamento Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje patvirtina šią išvadą.
„Dabar turime gaires, kurias baterijų gamintojai gali naudoti kurdami katodines medžiagas, kurios neturi ribų ir veikia aukštu slėgiu“, – sakė Argonne emeritas Khalilas Aminas. 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。”"Rekomendacijos turėtų būti taikomos kitoms katodo medžiagoms nei NMC."
Straipsnis apie šį tyrimą pasirodė žurnale Nature Energy. Be Xu, Amin, Liu ir Chang, Argonne autoriai yra 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 ir Zonghai Chen. Mokslininkai iš Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos (Wanli Yang, Qingtian Li ir Zengqing Zhuo), Siameno universiteto (Jing-Jing Fan, Ling Huang ir Shi-Gang Sun) ir Tsinghua universiteto (Dongsheng Ren, Xuning Feng ir Mingao Ouyang).
Apie Argono nanomedžiagų centrą Nanomedžiagų centras, vienas iš penkių JAV Energetikos departamento nanotechnologijų tyrimų centrų, yra svarbiausia nacionalinė tarpdisciplininių nanomastelio tyrimų naudotojų institucija, remiama JAV Energetikos departamento Mokslo biuro. Kartu NSRC sudaro papildomų įrenginių rinkinį, suteikiantį tyrėjams pažangiausias nanomastelio medžiagų gamybos, apdorojimo, charakterizavimo ir modeliavimo galimybes ir yra didžiausia investicija į infrastruktūrą pagal Nacionalinę nanotechnologijų iniciatyvą. NSRC yra JAV Energetikos departamento nacionalinėse laboratorijose Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ir Los Alamos. Norėdami gauti daugiau informacijos apie NSRC DOE, apsilankykite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​i​lit​​​​​ie​s​/Us e
JAV Energetikos departamento pažangus fotonų šaltinis (APS) Argonne nacionalinėje laboratorijoje yra vienas produktyviausių rentgeno spindulių šaltinių pasaulyje. APS teikia didelio intensyvumo rentgeno spindulius įvairiai medžiagų mokslo, chemijos, kondensuotųjų medžiagų fizikos, gyvybės ir aplinkos mokslų bei taikomųjų mokslinių tyrimų bendruomenei. Šie rentgeno spinduliai idealiai tinka tirti medžiagas ir biologines struktūras, elementų pasiskirstymą, chemines, magnetines ir elektronines būsenas bei techniškai svarbias visų rūšių inžinerines sistemas – nuo ​​baterijų iki kuro purkštukų purkštukų, kurios yra gyvybiškai svarbios mūsų šalies ekonomikai, technologijoms. . ir kūnas Sveikatos pagrindas. Kiekvienais metais daugiau nei 5000 mokslininkų naudoja APS, kad paskelbtų daugiau nei 2000 publikacijų, kuriose išsamiai aprašomi svarbūs atradimai ir išsprendžiamos svarbesnės biologinių baltymų struktūros nei bet kurio kito rentgeno tyrimų centro naudotojai. APS mokslininkai ir inžinieriai diegia novatoriškas technologijas, kurios yra pagrindas gerinant greitintuvų ir šviesos šaltinių veikimą. Tai apima įvesties įrenginius, kurie sukuria ypač ryškius rentgeno spindulius, vertinamus tyrėjų, lęšius, kurie sufokusuoja rentgeno spindulius iki kelių nanometrų, prietaisus, kurie maksimaliai padidina rentgeno spindulių sąveiką su tiriamu pavyzdžiu, ir APS atradimų rinkimą bei valdymą. Tyrimai generuoja didžiulius duomenų kiekius.
Šiame tyrime buvo panaudoti ištekliai iš Advanced Photon Source, JAV Energetikos departamento mokslo biuro vartotojų centro, kurį valdo Argonne nacionalinė laboratorija JAV Energetikos departamento Mokslo biurui pagal sutarties numerį DE-AC02-06CH11357.
Argonne nacionalinė laboratorija siekia išspręsti aktualias šalies mokslo ir technologijų problemas. Kaip pirmoji nacionalinė laboratorija Jungtinėse Valstijose, Argonne atlieka pažangiausius pagrindinius ir taikomuosius tyrimus beveik visose mokslo srityse. Argonne mokslininkai glaudžiai bendradarbiauja su mokslininkais iš šimtų įmonių, universitetų ir federalinių, valstijų ir savivaldybių agentūrų, kad padėtų jiems išspręsti konkrečias problemas, paaukštintų JAV mokslo lyderystę ir paruoštų tautą geresnei ateičiai. „Argonne“ dirba darbuotojai iš daugiau nei 60 šalių, o ją valdo UChicago Argonne, JAV Energetikos departamento Mokslo biuro LLC.
JAV Energetikos departamento Mokslo biuras yra didžiausias fizinių mokslų fundamentinių tyrimų šalininkas šalyje, siekiantis išspręsti kai kurias aktualiausias mūsų laikų problemas. Norėdami gauti daugiau informacijos, apsilankykite https://​energy​.gov/​science​ience.