JAV Energetikos departamento (DOE) Argonne nacionalinės laboratorijos tyrėjai gali pasigirti ilga novatoriškų atradimų ličio jonų akumuliatorių srityje istorija. Daugelis šių rezultatų gauti tiriant akumuliatoriaus katodą, vadinamą NMC, nikelio manganu ir kobalto oksidu. Šiuo katodu aprūpintas akumuliatorius dabar maitina „Chevrolet Bolt“.
Argonne tyrėjai pasiekė dar vieną proveržį NMC katodų srityje. Komandos sukurta nauja maža katodo dalelių struktūra gali padaryti bateriją patvaresnę ir saugesnę, galinčią veikti esant labai aukštai įtampai ir užtikrinti ilgesnį veikimo atstumą.
„Dabar turime gaires, kurias akumuliatorių gamintojai gali naudoti gamindami aukšto slėgio, berėmius katodų elementus“, – sakė Khalilas Aminas, „Argonne“ emeritas.
„Esami NMC katodai yra didelė kliūtis atliekant aukštos įtampos darbus“, – teigė chemiko padėjėjas Guiliang Xu. Įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu našumas sparčiai mažėja dėl įtrūkimų susidarymo katodo dalelėse. Dešimtmečius akumuliatorių tyrėjai ieškojo būdų, kaip ištaisyti šiuos įtrūkimus.
Vienas ankstesnis metodas naudojo mažytes sferines daleles, sudarytas iš daugybės daug mažesnių dalelių. Didelės sferinės dalelės yra polikristalinės, su įvairių orientacijų kristalinėmis sritimis. Dėl to tarp dalelių yra vadinamosios grūdelių ribos, dėl kurių akumuliatorius gali įtrūkti ciklo metu. Siekdami to išvengti, Xu ir Argonne kolegos anksčiau sukūrė apsauginę polimerinę dangą aplink kiekvieną dalelę. Ši danga supa dideles sferines daleles ir jose esančias mažesnes daleles.
Kitas būdas išvengti tokio tipo įtrūkimų yra naudoti monokristalines daleles. Šių dalelių elektroninė mikroskopija parodė, kad jos neturi ribų.
Komandos problema buvo ta, kad iš dengtų polikristalų ir monokristalų pagaminti katodai ciklinio apdorojimo metu vis tiek trūkinėjo. Todėl jie atliko išsamią šių katodinių medžiagų analizę JAV Energetikos departamento Argonne mokslo centro Pažangiajame fotonų šaltinyje (APS) ir Nanomedžiagų centre (CNM).
Įvairūs rentgeno spindulių tyrimai buvo atlikti su penkiomis APS šakomis (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ir 34-ID-E). Paaiškėjo, kad tai, ką mokslininkai laikė monokristalu, kaip parodė elektronų ir rentgeno mikroskopija, iš tikrųjų turėjo ribą viduje. Šią išvadą patvirtino CNM skenuojanti ir transmisinė elektroninė mikroskopija.
„Kai pažvelgėme į šių dalelių paviršiaus morfologiją, jos atrodė kaip monokristalai“, – teigė 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 在 在 微 镜 的 抒微镜 的， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Tačiau, kai APS panaudojome sinchrotroninės rentgeno spindulių difrakcijos mikroskopijos metodą ir kitus metodus, nustatėme, kad ribos buvo paslėptos viduje.“
Svarbu tai, kad komanda sukūrė metodą monokristalams gaminti be ribų. Mažų celių bandymai su šiuo monokristaliniu katodu esant labai aukštai įtampai parodė 25 % padidėjusį energijos kaupimą tūrio vienete, praktiškai nepakenkiant našumui per 100 bandymo ciklų. Tuo tarpu NMC katodai, sudaryti iš daugiasąsakių monokristalų arba dengtų polikristalų, per tą patį tarnavimo laiką parodė 60–88 % talpos sumažėjimą.
Atominio masto skaičiavimai atskleidžia katodo talpos sumažėjimo mechanizmą. Pasak Maria Chang, nanomokslininkės iš CNM, įkraunant akumuliatorių, deguonies atomai labiau linkę prarasti ribas nei toliau nuo jų esančias sritis. Šis deguonies praradimas lemia ląstelės ciklo degradaciją.
„Mūsų skaičiavimai rodo, kaip riba gali lemti deguonies išsiskyrimą esant aukštam slėgiui, o tai gali sumažinti našumą“, – sakė Chanas.
Ribos pašalinimas užkerta kelią deguonies išsiskyrimui, taip pagerinant katodo saugumą ir ciklinį stabilumą. Deguonies išsiskyrimo matavimai naudojant APS ir pažangų šviesos šaltinį JAV Energetikos departamento Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje patvirtina šią išvadą.
„Dabar turime gaires, kurias akumuliatorių gamintojai gali naudoti gamindami katodines medžiagas, kurios neturi ribų ir veikia esant aukštam slėgiui“, – teigė Khalilas Aminas, „Argonne“ emeritas. 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 ir kitoms katodo medžiagoms, išskyrus 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 Hwanu, Duheng, Zheng, Taingi. 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 Argonne nanomedžiagų centrą Nanomedžiagų centras, vienas iš penkių JAV Energetikos departamento nanotechnologijų tyrimų centrų, yra pagrindinė nacionalinė naudotojų institucija, atliekanti tarpdisciplininius nanoskalės tyrimus, kuriuos remia JAV Energetikos departamento Mokslo biuras. Kartu NSRC sudaro papildomų įrenginių rinkinį, suteikiantį tyrėjams pažangiausias nanoskalės medžiagų gamybos, apdorojimo, charakterizavimo ir modeliavimo galimybes, ir tai yra didžiausia infrastruktūros investicija pagal Nacionalinę nanotechnologijų iniciatyvą. NSRC yra JAV Energetikos departamento nacionalinėse laboratorijose Argonne, Brookhavene, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ir Los Alamos. Daugiau informacijos apie NSRC DOE rasite apsilankę https://​science​.osti​.gov/​U​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
JAV Energetikos departamento Pažangusis fotonų šaltinis (APS) Argonne nacionalinėje laboratorijoje yra vienas produktyviausių rentgeno spindulių šaltinių pasaulyje. APS teikia didelio intensyvumo rentgeno spindulius įvairiapusei mokslininkų bendruomenei medžiagų mokslo, chemijos, kondensuotųjų medžiagų fizikos, gyvybės ir aplinkos mokslų bei taikomųjų tyrimų srityse. 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 įpurškimo antgalių, kurios yra gyvybiškai svarbios mūsų šalies ekonomikai, technologijoms ir organizmui. Tai sveikatos pagrindas. Kiekvienais metais daugiau nei 5000 tyrėjų naudojasi APS, kad paskelbtų daugiau nei 2000 publikacijų, kuriose išsamiai aprašomi svarbūs atradimai ir išsprendžiamos svarbesnės biologinių baltymų struktūros problemos nei bet kurio kito rentgeno spindulių tyrimų centro naudotojų. APS mokslininkai ir inžinieriai diegia novatoriškas technologijas, kurios yra greitintuvų ir šviesos šaltinių veikimo gerinimo pagrindas. Tai apima įvesties įrenginius, kurie sukuria itin ryškius rentgeno spindulius, kuriuos vertina tyrėjai, lęšius, kurie sufokusuoja rentgeno spindulius iki kelių nanometrų, prietaisus, kurie maksimaliai padidina rentgeno spindulių sąveiką su tiriamu mėginiu, ir APS atradimų rinkimą bei valdymą. Tyrimai generuoja didžiulius duomenų kiekius.
Šiame tyrime panaudoti „Advanced Photon Source“ ištekliai – tai JAV Energetikos departamento Mokslo biuro vartotojų centras, kurį pagal sutarties numerį DE-AC02-06CH11357 JAV Energetikos departamento Mokslo biurui valdo Argonne nacionalinė laboratorija.
Argonne nacionalinė laboratorija siekia spręsti neatidėliotinas šalies mokslo ir technologijų problemas. Būdama pirmąja nacionaline laboratorija Jungtinėse Valstijose, Argonne atlieka pažangiausius fundamentinius ir taikomuosius tyrimus praktiškai kiekvienoje mokslo disciplinoje. Argonne tyrėjai glaudžiai bendradarbiauja su šimtų įmonių, universitetų ir federalinių, valstijų bei savivaldybių agentūrų tyrėjais, kad padėtų jiems spręsti konkrečias problemas, stiprinti JAV mokslo lyderystę ir paruošti tautą geresnei ateičiai. Argonne dirba darbuotojai iš daugiau nei 60 šalių, o ją valdo JAV Energetikos departamento Mokslo biuro „UChicago Argonne, LLC“.
JAV Energetikos departamento Mokslo biuras yra didžiausias šalies fizinių mokslų fundamentinių tyrimų šalininkas, dirbantis siekiant išspręsti kai kurias aktualiausias mūsų laikų problemas. Daugiau informacijos rasite adresu https://​energy​.gov/​science​ience.