Οι ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) έχουν μακρά ιστορία πρωτοποριακών ανακαλύψεων στον τομέα των μπαταριών ιόντων λιθίου. Πολλά από αυτά τα αποτελέσματα είναι για την κάθοδο της μπαταρίας, που ονομάζεται NMC, νικέλιο μαγγάνιο και οξείδιο του κοβαλτίου. Μια μπαταρία με αυτήν την κάθοδο τώρα τροφοδοτεί το μπουλόνι Chevrolet.
Οι ερευνητές της Argonne έχουν επιτύχει μια άλλη ανακάλυψη σε καθόδους NMC. Η νέα δομή σωματιδίων της ομάδας μικροσκοπικής καθόδου θα μπορούσε να καταστήσει την μπαταρία πιο ανθεκτική και ασφαλέστερη, ικανή να λειτουργεί σε πολύ υψηλές τάσεις και να παρέχει μεγαλύτερες ταξιδιωτικές περιοχές.
"Έχουμε τώρα καθοδήγηση που οι κατασκευαστές μπαταριών μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να κατασκευάσουν υλικά καθόδου υψηλής πίεσης, χωρίς σύνορα", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Οι υπάρχουσες NMC Cathodes παρουσιάζουν ένα σημαντικό εμπόδιο για εργασία υψηλής τάσης", δήλωσε ο βοηθός χημικός Guiliang Xu. Με την ποδηλασία εκφόρτωσης φορτίου, η απόδοση πέφτει γρήγορα λόγω του σχηματισμού ρωγμών στα σωματίδια καθόδου. Για δεκαετίες, οι ερευνητές της μπαταρίας αναζητούν τρόπους για την αποκατάσταση αυτών των ρωγμών.
Μία μέθοδος στο παρελθόν χρησιμοποίησε μικροσκοπικά σφαιρικά σωματίδια που αποτελούνται από πολλά πολύ μικρότερα σωματίδια. Τα μεγάλα σφαιρικά σωματίδια είναι πολυκρυσταλλικά, με κρυσταλλικές περιοχές διαφόρων προσανατολισμών. Ως αποτέλεσμα, έχουν ό, τι οι επιστήμονες ονομάζουν όρια σιτηρών μεταξύ των σωματιδίων, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σπάσιμο της μπαταρίας κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Για να αποφευχθεί αυτό, οι συνάδελφοι του Xu και του Argonne είχαν αναπτύξει προηγουμένως ένα προστατευτικό πολυμερές επικάλυψης γύρω από κάθε σωματίδιο. Αυτή η επικάλυψη περιβάλλει μεγάλα σφαιρικά σωματίδια και μικρότερα σωματίδια μέσα σε αυτά.
Ένας άλλος τρόπος για να αποφευχθεί αυτό το είδος ρωγμών είναι η χρήση μονών κρυστάλλων. Ηλεκτρονική μικροσκοπία αυτών των σωματιδίων έδειξε ότι δεν έχουν όρια.
Το πρόβλημα για την ομάδα ήταν ότι οι κάθοδοι που κατασκευάστηκαν από επικαλυμμένες πολυκρυσταλλές και μεμονωμένους κρυστάλλους εξακολουθούν να σπάνε κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Ως εκ τούτου, διεξήγαγαν εκτεταμένη ανάλυση αυτών των υλικών καθόδου στην προχωρημένη πηγή φωτονίων (APS) και στο κέντρο για τα νανοϋλικά (CNM) στο Κέντρο Επιστημών Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Διεξήχθησαν διάφορες αναλύσεις ακτίνων Χ σε πέντε βραχίονες APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C και 34-ID-E). Αποδεικνύεται ότι αυτό που οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν ένα μόνο κρύσταλλο, όπως φαίνεται από την μικροσκοπία ηλεκτρονίων και ακτίνων Χ, είχε στην πραγματικότητα ένα όριο μέσα. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία CNMS σάρωσης και μετάδοσης επιβεβαίωσε αυτό το συμπέρασμα.
«Όταν εξετάσαμε την μορφολογία της επιφάνειας αυτών των σωματιδίων, έμοιαζαν με μεμονωμένους κρυστάλλους», δήλωσε ο φυσικός Wenjun Liu. â 但是 但是 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 使用一种称为同步加速器 使用一种称为同步加速器 使用一种称为同步加速器 使用一种称为同步加速器 使用一种称为同步加速器 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。 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 当我们在 â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Ωστόσο, όταν χρησιμοποιήσαμε μια τεχνική που ονομάζεται μικροσκοπία περίθλασης Synchrotron και άλλων τεχνικών στο APS, διαπιστώσαμε ότι τα όρια ήταν κρυμμένα μέσα".
Είναι σημαντικό ότι η ομάδα έχει αναπτύξει μια μέθοδο για την παραγωγή μεμονωμένων κρυστάλλων χωρίς όρια. Η δοκιμή μικρών κυττάρων με αυτή την κάθοδο ενός κρυστάλλου σε πολύ υψηλές τάσεις έδειξε αύξηση κατά 25% στην αποθήκευση ενέργειας ανά όγκο μονάδας με σχεδόν καμία απώλεια στην απόδοση πάνω από 100 κύκλους δοκιμών. Αντίθετα, οι NMC κάθοδοι που αποτελούνται από μεμονωμένους κρυστάλλους πολλαπλών διασύνδεσης ή επικαλυμμένες πολυκρυσταλλές έδειξαν πτώση χωρητικότητας 60% έως 88% κατά την ίδια διάρκεια ζωής.
Οι υπολογισμοί ατομικής κλίμακας αποκαλύπτουν τον μηχανισμό της μείωσης της χωρητικότητας της καθόδου. Σύμφωνα με τη Maria Chang, νανοεπιστήμονα στο CNM, τα όρια είναι πιο πιθανό να χάσουν άτομα οξυγόνου όταν η μπαταρία φορτίζεται από τις περιοχές πιο μακριά από αυτά. Αυτή η απώλεια οξυγόνου οδηγεί σε αποικοδόμηση του κυτταρικού κύκλου.
"Οι υπολογισμοί μας δείχνουν πώς το όριο μπορεί να οδηγήσει σε οξυγόνο που απελευθερώνεται σε υψηλή πίεση, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απόδοση", δήλωσε ο Chan.
Η εξάλειψη του ορίου εμποδίζει την εξέλιξη του οξυγόνου, βελτιώνοντας έτσι την ασφάλεια και την κυκλική σταθερότητα της καθόδου. Οι μετρήσεις εξέλιξης οξυγόνου με APS και μια προηγμένη πηγή φωτός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Υπουργείου Ενέργειας επιβεβαιώνουν αυτό το συμπέρασμα.
"Τώρα έχουμε κατευθυντήριες γραμμές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι κατασκευαστές μπαταριών για να φτιάξουν καθολικά υλικά που δεν έχουν όρια και να λειτουργούν με υψηλή πίεση", δήλωσε ο Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. 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。 ""Οι κατευθυντήριες γραμμές θα πρέπει να ισχύουν για υλικά καθόδου εκτός από το NMC."
Ένα άρθρο σχετικά με αυτή τη μελέτη εμφανίστηκε στο περιοδικό Nature Energy. Εκτός από τους Xu, Amin, Liu και Chang, οι συγγραφείς Argonne είναι ο Xiang Liu, ο Venkata Surya Chaitanya Kolluru, ο Chen Zhao, ο Xinwei Zhou, ο Yuzi Liu, ο Liang Ying, ο Amin Daali, ο Yang Ren, ο Wenqian Xu, ο Junjing, ο Inhui, ο Chengjun Sun, ο Tao, Zonghai Chen. Οι επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li και Zengqing Zhuo), το Πανεπιστήμιο Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang και Shi-Gang Sun) και το Πανεπιστήμιο Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng και Mingao Ouang).
Σχετικά με το Κέντρο Nanomaterials Argonne, το Κέντρο Ερευνητικών Κέντρων Νανοτεχνολογίας του Υπουργείου Ενέργειας του Υπουργείου Ενεργειακών Υπουργείων των ΗΠΑ είναι ο πρωταρχικός εθνικός θεσμός χρηστών για διεπιστημονική νανοκλίμακα έρευνας που υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενεργειακής Ενέργειας. Μαζί, τα NSRC αποτελούν μια σειρά συμπληρωματικών εγκαταστάσεων που παρέχουν στους ερευνητές τις υπερσύγχρονες δυνατότητες για την κατασκευή, την επεξεργασία, τον χαρακτηρισμό και τη μοντελοποίηση υλικών νανοκλίμακας και αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη επένδυση υποδομής στο πλαίσιο της Εθνικής Πρωτοβουλίας νανοτεχνολογίας. Το NSRC βρίσκεται στα Εθνικά Εργαστήρια του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Argonne, στο Brookhaven, στο Lawrence Berkeley, στο Oak Ridge, στη Sandia και στο Los Alamos. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το NSRC DOE, επισκεφτείτε τη διεύθυνση https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie s-a-a look.
Η προχωρημένη πηγή φωτονίων (APS) του Υπουργείου Ενέργειας (APS) στο Argonne είναι μία από τις πιο παραγωγικές πηγές ακτίνων Χ στον κόσμο. Το APS παρέχει ακτινογραφίες υψηλής έντασης σε μια ποικιλόμορφη ερευνητική κοινότητα στην επιστήμη των υλικών, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένη ύλη, τη ζωή και τις περιβαλλοντικές επιστήμες και την εφαρμοσμένη έρευνα. Αυτές οι ακτίνες Χ είναι ιδανικές για τη μελέτη υλικών και βιολογικών δομών, τη διανομή στοιχείων, τις χημικές, μαγνητικές και ηλεκτρονικές καταστάσεις και τα τεχνικά σημαντικά μηχανικά συστήματα όλων των ειδών, από τις μπαταρίες έως τα ακροφύσια του εγχυτήρα καυσίμου, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την εθνική μας οικονομία, την τεχνολογία. και το σώμα τη βάση της υγείας. Κάθε χρόνο, περισσότεροι από 5.000 ερευνητές χρησιμοποιούν APS για να δημοσιεύσουν περισσότερες από 2.000 δημοσιεύσεις που περιγράφουν σημαντικές ανακαλύψεις και επίλυση πιο σημαντικών δομών βιολογικών πρωτεϊνών από τους χρήστες οποιουδήποτε άλλου ερευνητικού κέντρου ακτίνων Χ. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί της APS εφαρμόζουν καινοτόμες τεχνολογίες που αποτελούν τη βάση για τη βελτίωση της απόδοσης των επιταχυντών και των πηγών φωτός. Αυτό περιλαμβάνει συσκευές εισόδου που παράγουν εξαιρετικά φωτεινές ακτινογραφίες που εκτιμούνται από ερευνητές, φακοί που εστιάζουν σε μερικά νανόμετρα, όργανα που μεγιστοποιούν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ με το υπό μελέτη δείγμα και η συλλογή και η διαχείριση των ανακαλύψεων APS δημιουργούν τεράστιους όγκους δεδομένων.
Η μελέτη αυτή χρησιμοποίησε πόρους από την Advanced Photon Source, ένα κέντρο χρηστών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο λειτουργούσε από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne για το Υπουργείο Ενέργειας της Αμερικανικής Υπηρεσίας Επιστημών υπό τον αριθμό των συμβάσεων DE-AC02-06CH11357.
Το Εθνικό Εργαστήριο Argonne προσπαθεί να λύσει τα πιεστικά προβλήματα της εγχώριας επιστήμης και της τεχνολογίας. Ως το πρώτο εθνικό εργαστήριο στις Ηνωμένες Πολιτείες, η Argonne διεξάγει βασική και εφαρμοσμένη έρευνα αιχμής σε σχεδόν κάθε επιστημονική πειθαρχία. Οι ερευνητές της Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακές, κρατικές και δημοτικές υπηρεσίες για να τους βοηθήσουν να λύσουν συγκεκριμένα προβλήματα, να προωθήσουν την επιστημονική ηγεσία των ΗΠΑ και να προετοιμάσουν το έθνος για ένα καλύτερο μέλλον. Η Argonne απασχολεί υπαλλήλους από περισσότερες από 60 χώρες και λειτουργεί από την Uchicago Argonne, LLC του Υπουργείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας του έθνους στις φυσικές επιστήμες, που εργάζεται για την αντιμετώπιση ορισμένων από τα πιο πιεστικά θέματα της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφτείτε τη διεύθυνση https: // Energy .gov/Science Ience.