Výzkumníci z Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) mají dlouhou historii průkopnických objevů v oblasti lithium-iontových baterií. Mnoho z těchto výsledků se týká bateriové katody nazývané NMC, nikl-mangan a oxid kobaltu. Baterie s touto katodou nyní pohání Chevrolet Bolt.
Výzkumníci z Argonne dosáhli dalšího průlomu v oblasti katod NMC. Nová struktura katodových částic, kterou tento tým vytvořil, by mohla zvýšit odolnost a bezpečnost baterie, schopné provozu při velmi vysokých napětích a zajistit delší dojezd.
„Nyní máme pokyny, které mohou výrobci baterií použít k výrobě vysokotlakých katodových materiálů bez okrajů,“ řekl Khalil Amin, emeritní člen Argonne.
„Stávající NMC katody představují velkou překážku pro práci s vysokým napětím,“ řekl asistent chemika Guiliang Xu. Při cyklickém nabíjení a vybíjení výkon prudce klesá kvůli tvorbě trhlin v částicích katody. Výzkumníci v oblasti baterií již po desetiletí hledají způsoby, jak tyto trhliny 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 hranicemi zrn, což může během cyklu způsobit prasknutí baterie. Aby se tomu zabránilo, kolegové Xu a Argonne dříve vyvinuli ochranný polymerní povlak kolem každé částice. Tento povlak obklopuje velké kulovité částice a menší částice uvnitř nich.
Dalším způsobem, jak se tomuto druhu praskání vyhnout, je použití monokrystalických částic. Elektronová mikroskopie těchto částic ukázala, že nemají žádná hranice.
Problémem pro tým bylo, že katody vyrobené z potažených polykrystalů a monokrystalů během cyklování stále praskaly. Proto provedli rozsáhlou analýzu těchto katodových materiálů v centru Advanced Photon Source (APS) a Centru pro nanomaterialy (CNM) v Argonne Science Center amerického ministerstva energetiky.
Na pěti ramenech APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C a 34-ID-E) byly provedeny různé rentgenové analýzy. Ukázalo se, že to, co vědci považovali za monokrystal, jak ukázala elektronová a rentgenová mikroskopie, ve skutečnosti mělo uvnitř hranici. Skenovací a transmisní elektronová mikroskopie CNM tento závěr potvrdily.
„Když jsme se podívali na povrchovou morfologii těchto částic, vypadaly jako monokrystaly,“ řekl fyzik 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 显微兕 滖 技 仌 时嶀， 我们 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 byly skryty uvnitř.“
Důležité je, že tým vyvinul metodu pro výrobu monokrystalů bez hranic. Testování malých článků s touto monokrystalickou katodou při velmi vysokých napětích ukázalo 25% nárůst ukládání energie na jednotku objemu prakticky bez ztráty výkonu po dobu 100 testovacích cyklů. Naproti tomu NMC katody složené z vícevrstvých monokrystalů nebo potažených polykrystalů vykazovaly pokles kapacity o 60 % až 88 % po stejnou dobu životnosti.
Výpočty v atomovém měřítku odhalují mechanismus snižování kapacity katody. Podle Marie Changové, nanovědkyně z CNM, je pravděpodobnější, že hranice ztratí atomy kyslíku, když je baterie nabíjena, 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 Národní laboratoři Lawrence Berkeley amerického ministerstva energetiky tento závěr potvrzují.
„Nyní máme pokyny, které mohou výrobci baterií použít k výrobě katodových materiálů, které neznají žádná omezení a fungují za vysokého 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 jiné katodové materiály 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 Sun a Zongha, Chengho, Chengjun, 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 Argonneově centru pro nanomateriály Centrum pro nanomateriály, jedno z pěti výzkumných center v oblasti nanotechnologií Ministerstva energetiky USA, je přední národní uživatelskou institucí pro interdisciplinární výzkum v nanoměřítku, kterou podporuje Úřad pro vědu Ministerstva energetiky USA. NSRC společně tvoří soubor doplňkových zařízení, která poskytují výzkumníkům nejmodernější možnosti pro výrobu, zpracování, charakterizaci a modelování nanomateriálů a představují největší investici do infrastruktury v rámci Národní nanotechnologické iniciativy. NSRC sídlí v Národních laboratořích Ministerstva energetiky USA v Argonne, Brookhavenu, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandii a Los Alamos. Více informací o NSRC DOE naleznete na https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Pokročilý fotonový zdroj (APS) amerického ministerstva energetiky v Národní laboratoři Argonne je jedním z nejproduktivnějších zdrojů rentgenového záření na světě. APS poskytuje vysoce intenzivní rentgenové záření rozmanité výzkumné komunitě v oblasti materiálových věd, chemie, fyziky kondenzovaných látek, biologických a environmentálních věd a aplikovaného výzkumu. Toto rentgenové záření je ideální pro studium materiálů a biologických struktur, distribuce prvků, chemických, magnetických a elektronických stavů a ​​technicky důležitých inženýrských systémů všeho druhu, od baterií až po trysky vstřikovačů paliva, které jsou životně důležité pro naše národní hospodářství, technologie a tělo. Základ zdraví. Každý rok více než 5 000 výzkumníků využívá APS k publikování více než 2 000 publikací s podrobnostmi o důležitých objevech a řešení důležitějších biologických proteinových struktur než uživatelé jakéhokoli jiného centra pro rentgenový výzkum. Vědci a inženýři APS implementují inovativní technologie, které jsou základem pro zlepšení výkonu urychlovačů a světelných zdrojů. Patří sem vstupní zařízení, která produkují extrémně jasné rentgenové paprsky, jež si vědci cení, čočky, které zaostřují rentgenové paprsky až na několik nanometrů, přístroje, které maximalizují způsob, jakým rentgenové paprsky interagují se studovaným vzorkem, a sběr a správa objevů získaných pomocí APS. Výzkum generuje obrovské objemy dat.
Tato studie využila zdroje z Advanced Photon Source, uživatelského centra Úřadu pro vědu Ministerstva energetiky USA, které provozuje Národní laboratoř Argonne pro Úřad pro vědu Ministerstva energetiky USA na základě smlouvy číslo 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 obecních agentur, aby jim pomohli řešit konkrétní problémy, rozvíjet vedoucí postavení americké vědy a připravovat národ na lepší budoucnost. Argonne zaměstnává zaměstnance z více než 60 zemí a je provozována společností UChicago Argonne, LLC, která je součástí Úřadu pro vědu Ministerstva energetiky USA.
Úřad pro vědu amerického ministerstva energetiky je největším národním zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách a pracuje na řešení některých z nejnaléhavějších problémů naší doby. Více informací naleznete na adrese https://energy.gov/scienceience.