Vědci z amerického ministerstva energetiky (DOE) Argonne National Laboratory mají dlouhou historii průkopnických objevů v oblasti lithium-iontových baterií. Mnoho z těchto výsledků je pro katodu baterie, nazývaná NMC, nikl mangan a oxid kobaltu. Baterie s touto katodou nyní pohání šroub Chevrolet.
Vědci Argonne dosáhli dalšího průlomu v katomách NMC. Nová malá struktura katodových částic týmu by mohla z baterie odolnější a bezpečnější, schopna pracovat při velmi vysokých napětích a poskytovat delší cestovní rozsahy.
"Nyní máme vedení, které mohou výrobci baterií použít k výrobě vysokotlakých katodových materiálů bez hranic," Khalil Amin, Emeritus Argonne Fellow.
"Stávající katody NMC představují hlavní překážku pro vysoce napěťové práce," řekl asistent chemik Guiliang Xu. Při cyklování náboje náboje rychle klesá v důsledku tvorby trhlin v katodových částicích. Po celá desetiletí hledají vědci z baterií způsoby, jak tyto trhliny opravit.
Jedna metoda v minulosti používala malé sférické částice složené z mnoha mnohem menších částic. Velké sférické částice jsou polykrystalické, s krystalickými doménami různých orientací. Výsledkem je, že mají to, co vědci nazývají hranice zrna mezi částicemi, což může způsobit prasknutí baterie během cyklu. Aby tomu zabránilo, Xu a Argonneovi kolegové dříve vyvinuli ochranný polymerní povlak kolem každé částice. Tento povlak obklopuje velké sférické částice a menší částice v nich.
Dalším způsobem, jak se vyhnout tomuto druhu praskání, je použití částic s jedním krystalem. Elektronová mikroskopie těchto částic ukázala, že nemají hranice.
Problém týmu byl, že katody vyrobené z potažených polykrystalů a jednotlivých krystalů se během cyklování stále praskly. Proto provedli rozsáhlou analýzu těchto katodových materiálů na pokročilém zdroji fotonu (APS) a centru pro nanomateriály (CNM) na americkém oddělení Argonne Science Ministerstva energetiky.
Různé rentgenové analýzy byly provedeny na pěti APS ramenech (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C a 34-ID-E). Ukazuje se, že to, co vědci považovali za jediný krystal, jak ukazuje elektronová a rentgenová mikroskopie, mělo uvnitř hranici. Tento závěr potvrdil skenování a přenosová elektronová mikroskopie CNM.
"Když jsme se podívali na povrchovou morfologii těchto částic, vypadali jako jediné krystaly," řekl fyzik Wenjun Liu. � <“但是 ， 当我们在 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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 ， ， ， 射线衍射显微镜的技术和其他技术时 � <“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 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 边界 边界 隐藏 在。 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界 边界"Když jsme však použili techniku ​​zvanou synchrotronová rentgenová difrakční mikroskopie a další techniky v APS, zjistili jsme, že hranice byly uvnitř skryté."
Důležité je, že tým vyvinul metodu pro výrobu jednotlivých krystalů bez hranic. Testování malých buněk s touto jednokrystalní katodou při velmi vysokých napětích ukázalo 25% zvýšení skladování energie na jednotku objemu s prakticky bez ztráty ve výkonu během 100 testovacích cyklů. Naproti tomu NMC katody složené z vícerozměrných monokrystalů nebo potažených polykrystalů vykazovaly pokles kapacity o 60% až 88% za stejnou životnost.
Výpočty atomové stupnice odhalují mechanismus redukce kapacity katodové kapacity. Podle Maria Changové, nanovědecké vědečky v CNM, je pravděpodobnost, že hranice ztratí atomy kyslíku, když je baterie nabitá než oblasti dále od nich. Tato ztráta kyslíku vede k degradaci buněčného cyklu.
"Naše výpočty ukazují, jak hranice může vést k uvolnění kyslíku při vysokém tlaku, což může vést ke snížení výkonu," řekl Chan.
Eliminace hranice zabraňuje vývoji kyslíku, čímž se zlepšuje bezpečnost a cyklickou stabilitu katody. Měření vývoje kyslíku s APS a pokročilý zdroj světla na americkém ministerstvu energetiky Lawrence Berkeley National Laboratory potvrzují tento závěr.
"Nyní máme pokyny, které mohou výrobci baterií použít k výrobě katodových materiálů, které nemají žádné hranice a fungují při vysokém tlaku," řekl Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. � <„该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。“ � <„该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。“"Pokyny by se měly vztahovat na jiné katodové materiály než NMC."
Článek o této studii se objevil v časopise 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. Vědci z Národní laboratoře Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li a Zengqing Zhuo), Xiamen University (fanoušek Jing-Jinga, Ling Huang a Shi-Gang Sun) a Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
O Centru pro nanomateriály v Argonnu Centrum pro nanomateriály, jedno z pěti amerických ministerstva energetických nanotechnologických výzkumných středisek, je přední národní uživatelská instituce pro interdisciplinární výzkum nanočástic podporovaným americkým ministerstvem vědy. Společně NSRC tvoří sadu doplňkových zařízení, která vědcům poskytují nejmodernější schopnosti pro výrobu, zpracování, charakterizaci a modelování materiálů nanočástic a představují největší investici do infrastruktury v rámci národní iniciativy nanotechnologie. NSRC se nachází na americkém ministerstvu energetických národních laboratoří v Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia a Los Alamos. Další informace o NSRC DOE naleznete na adrese https: // Science .osti .gov/us Er-f a c i lit tj.
Pokročilý fotonový zdroj amerického ministerstva energetiky (APS) v Argonne National Laboratory je jedním z nejproduktivnějších rentgenových zdrojů na světě. APS poskytuje rentgenové paprsky s vysokou intenzitou pro rozmanitou výzkumnou komunitu v oblasti materiálových věd, chemie, fyziky kondenzované hmoty, života a environmentálních věd a aplikovaného výzkumu. Tyto rentgenové paprsky jsou ideální pro studium materiálů a biologických struktur, distribuce prvků, chemických, magnetických a elektronických stavů a ​​technicky důležité inženýrské systémy všeho druhu, od baterií po palivo vstřikovací trysky, které jsou životně důležité pro naši národní ekonomiku, technologii. a tělo základem zdraví. Každý rok více než 5 000 vědců používá APS k publikování více než 2 000 publikací podrobně popisujících důležité objevy a řešení důležitějších biologických proteinových struktur než uživatelé jakéhokoli jiného rentgenového výzkumného centra. Vědci a inženýři APS implementují inovativní technologie, které jsou základem pro zlepšení výkonu akcelerátorů a světelných zdrojů. To zahrnuje vstupní zařízení, která produkují extrémně jasné rentgenové paprsky ceněné vědci, čočky, které zaměřují rentgenové paprsky dolů na několik nanometrů, nástroje, které maximalizují způsob, jakým rentgenové paprsky interagují se studovaným vzorkem, a výzkum sběru a správy APS Research vytváří obrovské objemy dat.
Tato studie využila zdroje z Advanced Photon Source, amerického ministerstva energetického úřadu pro uživatelské centrum vědy, které provozovalo národní laboratoř Argonne pro Ministerstvo energetického úřadu USA na základě smluvního čísla DE-AC02-06CH11357.
Národní laboratoř Argonne se snaží vyřešit naléhavé problémy domácí vědy a technologie. Jako první národní laboratoř ve Spojených státech provádí Argonne špičkový základní a aplikovaný výzkum prakticky v každé vědecké disciplíně. Vědci Argonne úzce spolupracují se vědci ze stovek společností, univerzit a federálních, státních a městských agentur, aby jim pomohli vyřešit konkrétní problémy, rozvíjet americké vědecké vedení a připravit národ na lepší budoucnost. Argonne zaměstnává zaměstnance z více než 60 zemí a je provozována společností Uchicago Argonne, LLC amerického ministerstva energetiky.
Úřad vědy amerického ministerstva energetiky je největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách a pracuje na řešení některých nejnaléhavějších problémů naší doby. Pro více informací navštivte https: // Energy .gov/Science ience.