Výzkumníci z Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) mají dlouhou historii průkopnických objevů v oblasti lithium-iontových baterií. Mnohé z těchto výsledků jsou pro katodu baterie, nazývanou NMC, nikl-mangan a oxid kobaltu. Baterie s touto katodou nyní napájí Chevrolet Bolt.
Výzkumníci z Argonne dosáhli dalšího průlomu v NMC katodách. Nová struktura malých katodových částic týmu by mohla učinit baterii odolnější a bezpečnější, schopnou pracovat při velmi vysokém napětí a poskytnout delší dojezd.
„Nyní máme návod, který mohou výrobci baterií použít k výrobě vysokotlakých katodových materiálů bez okrajů,“ Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Stávající katody NMC představují velkou překážku pro práci s vysokým napětím," řekl asistent chemika Guiliang Xu. Při cyklování náboj-vybíjení výkon rychle klesá kvůli tvorbě trhlin v částicích katody. Po desetiletí výzkumníci baterií hledali způsoby, jak tyto praskliny opravit.
Jedna metoda v minulosti používala drobné kulovité částice složené z mnoha mnohem menších částic. Velké kulovité částice jsou polykrystalické, s krystalickými doménami různé orientace. V důsledku toho mají mezi částicemi to, co vědci nazývají hranice zrn, což může způsobit prasknutí baterie během cyklu. Aby tomu zabránili, kolegové Xu a Argonne předtím vyvinuli ochranný polymerní povlak kolem každé částice. Tento povlak obklopuje velké kulovité částice a menší částice v nich.
Dalším způsobem, jak se vyhnout tomuto druhu praskání, je použití monokrystalických částic. Elektronová mikroskopie těchto částic ukázala, že nemají žádné hranice.
Problém pro tým byl, že katody vyrobené z potažených polykrystalů a monokrystalů během cyklování stále praskaly. Proto provedli rozsáhlou analýzu těchto katodových materiálů v Advanced Photon Source (APS) a Center for Nanomaterials (CNM) v Argonne Science Center amerického 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 ukázala elektronová a rentgenová mikroskopie, ve skutečnosti mělo uvnitř hranici. Skenovací a transmisní elektronová mikroskopie CNM tento závěr potvrdila.
"Když jsme se podívali na povrchovou morfologii těchto částic, vypadaly jako jednotlivé krystaly," řekl fyzik Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X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涜的技涶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 显微镜 皖 抶刼业们 发现 边界 隐藏 在。”"Když jsme však v APS použili techniku ​​zvanou synchrotronová rentgenová difrakční mikroskopie a další techniky, zjistili jsme, že hranice jsou skryté uvnitř."
Důležité je, že tým vyvinul metodu výroby monokrystalů bez hranic. Testování malých článků s touto monokrystalickou katodou při velmi vysokém napětí ukázalo 25% nárůst akumulace energie na jednotku objemu prakticky bez ztráty výkonu během 100 testovacích cyklů. Naproti tomu katody NMC složené z monokrystalů s více rozhraními nebo potažených polykrystalů vykázaly pokles kapacity o 60 % až 88 % za stejnou dobu životnosti.
Výpočty v atomovém měřítku odhalují mechanismus snižování kapacity katody. Podle Marie Changové, nanovědkyně z CNM, hranice s větší pravděpodobností ztratí atomy kyslíku, když je baterie nabitá, než oblasti dále od nich. Tato ztráta kyslíku vede k degradaci buněčného cyklu.
"Naše výpočty ukazují, jak může hranice vést k uvolňování kyslíku při vysokém tlaku, což může vést ke snížení výkonu," řekl Chan.
Odstranění hranice zabraňuje vývoji kyslíku, čímž se zlepšuje bezpečnost a cyklická stabilita katody. Měření vývoje kyslíku pomocí APS a pokročilého světelného zdroje v Lawrence Berkeley National Laboratory amerického ministerstva energetiky tento závěr potvrzují.
„Nyní máme pokyny, které mohou výrobci baterií použít k výrobě katodových materiálů, které nemají žádné hranice a fungují při vysokém tlaku,“ řekl Khalil Amin, emeritní člen Argonne. 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。”"Pokyny by se měly vztahovat na katodové materiály jiné než NMC."
Článek o této studii vyšel v časopise Nature Energy. Kromě Xu, Amina, Liu a Changa jsou autory Argonne 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 a Zonghai Chen. Vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li a Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang a Shi-Gang Sun) a Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
O Argonne Center for Nanomaterials Centrum pro nanomateriály, jedno z pěti výzkumných center amerického ministerstva energetiky nanotechnologie, je přední národní uživatelskou institucí pro interdisciplinární výzkum v nanoměřítku podporovaný Úřadem vědy Ministerstva energetiky USA. NSRC společně tvoří sadu doplňkových zařízení, která poskytují výzkumníkům nejmodernější možnosti pro výrobu, zpracování, charakterizaci a modelování materiálů v nanorozměrech a představují největší investici do infrastruktury v rámci Národní nanotechnologické iniciativy. NSRC se nachází v Národních laboratořích amerického ministerstva energetiky v Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia a Los Alamos. Pro více informací o NSRC DOE navštivte https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​​lit​​​​​ie​s​/​Us er-​Facilitie​ie​s​​at​-a​Lance.
Pokročilý zdroj fotonů (APS) amerického ministerstva energetiky v Argonne National Laboratory je jedním z nejproduktivnějších zdrojů rentgenového záření na světě. APS poskytuje vysoce intenzivní rentgenové záření různorodé výzkumné komunitě v oblasti materiálových věd, chemie, fyziky kondenzovaných látek, věd o životě a životním prostředí a aplikovaného výzkumu. Tyto rentgenové paprsky jsou ideální pro studium materiálů a biologických struktur, rozložení prvků, chemických, magnetických a elektronických stavů a ​​technicky důležitých inženýrských systémů všeho druhu, od baterií až po vstřikovací trysky paliva, které jsou životně důležité pro naše národní hospodářství, technologie . a tělo Základ zdraví. Každý rok více než 5 000 výzkumníků používá APS k publikování více než 2 000 publikací, které podrobně popisují důležité objevy a řeší důležitější biologické proteinové struktury než uživatelé jakéhokoli jiného výzkumného centra pro rentgenové záření. Vědci a inženýři APS zavádějí inovativní technologie, které jsou základem pro zlepšení výkonu urychlovačů a světelných zdrojů. To zahrnuje vstupní zařízení, která produkují extrémně jasné rentgenové paprsky ceněné výzkumníky, čočky, které zaostřují rentgenové záření až na několik nanometrů, nástroje, které maximalizují způsob, jakým rentgenové záření interaguje se studovaným vzorkem, a shromažďování a správu objevů APS. Výzkum generuje obrovské objemy dat.
Tato studie využívala zdroje z Advanced Photon Source, uživatelského centra Úřadu pro vědu Ministerstva energetiky USA provozovaného Argonne National Laboratory pro Úřad vědy Ministerstva energetiky USA pod číslem smlouvy DE-AC02-06CH11357.
Národní laboratoř Argonne se snaží řešit naléhavé problémy domácí vědy a techniky. Jako první národní laboratoř ve Spojených státech provádí Argonne špičkový základní a aplikovaný výzkum prakticky ve všech vědeckých oborech. Výzkumníci z Argonne úzce spolupracují s výzkumníky ze stovek společností, univerzit a federálních, státních a městských úřadů, aby jim pomohli vyřešit konkrétní problémy, posouvat americké vědecké vedení a připravit národ na lepší budoucnost. Argonne zaměstnává zaměstnance z více než 60 zemí a je provozován společností UChicago Argonne, LLC Úřadu vědy Ministerstva energetiky USA.
Úřad pro vědu amerického ministerstva energetiky je největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách v zemi a snaží se řešit některé z nejnaléhavějších problémů naší doby. Pro více informací navštivte https://​energy​.gov/​science​ience.