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 αφορούν την κάθοδο της μπαταρίας, που ονομάζεται NMC, το νικέλιο μαγγάνιο και το οξείδιο του κοβαλτίου. Μια μπαταρία με αυτήν την κάθοδο τροφοδοτεί τώρα το Chevrolet Bolt.
Οι ερευνητές Argonne πέτυχαν άλλη μια σημαντική ανακάλυψη στις καθόδους NMC. Η νέα δομή μικροσκοπικών σωματιδίων καθόδου της ομάδας θα μπορούσε να κάνει την μπαταρία πιο ανθεκτική και ασφαλέστερη, ικανή να λειτουργεί σε πολύ υψηλές τάσεις και να παρέχει μεγαλύτερες αποστάσεις διαδρομής.
"Έχουμε τώρα οδηγίες που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι κατασκευαστές μπαταριών για να κατασκευάσουν υλικά καθόδου χωρίς περιθώρια υψηλής πίεσης", Khalil Amin, Επίτιμος συνεργάτης Argonne.
«Οι υπάρχουσες κάθοδοι NMC αποτελούν σημαντικό εμπόδιο για εργασίες υψηλής τάσης», δήλωσε ο βοηθός χημικός Guiliang Xu. Με τον κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης, η απόδοση μειώνεται γρήγορα λόγω του σχηματισμού ρωγμών στα σωματίδια της καθόδου. Για δεκαετίες, οι ερευνητές μπαταριών αναζητούσαν τρόπους για να επιδιορθώσουν αυτές τις ρωγμές.
Μια μέθοδος στο παρελθόν χρησιμοποιούσε μικροσκοπικά σφαιρικά σωματίδια που αποτελούνταν από πολλά πολύ μικρότερα σωματίδια. Τα μεγάλα σφαιρικά σωματίδια είναι πολυκρυσταλλικά, με κρυσταλλικές περιοχές διαφόρων προσανατολισμών. Ως αποτέλεσμα, έχουν αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν όρια κόκκων μεταξύ σωματιδίων, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν ρωγμές στη μπαταρία κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Για να αποφευχθεί αυτό, οι συνάδελφοι του Xu και Argonne είχαν αναπτύξει προηγουμένως μια προστατευτική επίστρωση πολυμερούς γύρω από κάθε σωματίδιο. Αυτή η επίστρωση περιβάλλει μεγάλα σφαιρικά σωματίδια και μικρότερα σωματίδια μέσα σε αυτά.
Ένας άλλος τρόπος για να αποφύγετε αυτό το είδος ρωγμών είναι να χρησιμοποιήσετε μονοκρυσταλλικά σωματίδια. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία αυτών των σωματιδίων έδειξε ότι δεν έχουν όρια.
Το πρόβλημα για την ομάδα ήταν ότι οι κάθοδοι από επικαλυμμένους πολυκρυστάλλους και μονοκρύσταλλους εξακολουθούσαν να ραγίζουν κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Ως εκ τούτου, διεξήγαγαν εκτεταμένη ανάλυση αυτών των υλικών καθόδου στο Advanced Photon Source (APS) και στο Κέντρο Νανοϋλικών (CNM) στο Επιστημονικό Κέντρο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Πραγματοποιήθηκαν 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 νόμιζαν ότι ήταν ένας ενιαίος κρύσταλλος, όπως φαίνεται από τη μικροσκοπία ηλεκτρονίων και ακτίνων Χ, είχε στην πραγματικότητα ένα όριο μέσα. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και μετάδοσης των CNM επιβεβαίωσε αυτό το συμπέρασμα.
«Όταν κοιτάξαμε τη μορφολογία της επιφάνειας αυτών των σωματιδίων, έμοιαζαν με μονοκρυστάλλους», δήλωσε ο φυσικός 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速器X 射线衍射显微镜的技术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 的 技们 发现 边界 隐藏 在。"«Ωστόσο, όταν χρησιμοποιήσαμε μια τεχνική που ονομάζεται μικροσκόπιο περίθλασης ακτίνων Χ σύγχροτρον και άλλες τεχνικές στο APS, διαπιστώσαμε ότι τα όρια ήταν κρυμμένα μέσα».
Είναι σημαντικό ότι η ομάδα έχει αναπτύξει μια μέθοδο για την παραγωγή μονοκρυστάλλων χωρίς όρια. Η δοκιμή μικρών κυψελών με αυτήν την μονοκρυσταλλική κάθοδο σε πολύ υψηλές τάσεις έδειξε αύξηση 25% στην αποθήκευση ενέργειας ανά μονάδα όγκου χωρίς ουσιαστικά καμία απώλεια στην απόδοση σε διάστημα 100 κύκλων δοκιμής. Αντίθετα, οι κάθοδοι NMC που αποτελούνται από μονοκρυστάλλους πολλαπλής διεπαφής ή επικαλυμμένους πολυκρυστάλλους παρουσίασαν πτώση χωρητικότητας από 60% έως 88% κατά την ίδια διάρκεια ζωής.
Οι υπολογισμοί ατομικής κλίμακας αποκαλύπτουν τον μηχανισμό μείωσης της χωρητικότητας της καθόδου. Σύμφωνα με τη Μαρία Τσανγκ, μια νανοεπιστήμονα στο CNM, τα όρια είναι πιο πιθανό να χάσουν άτομα οξυγόνου όταν φορτίζεται η μπαταρία παρά περιοχές πιο μακριά από αυτά. Αυτή η απώλεια οξυγόνου οδηγεί σε υποβάθμιση του κυτταρικού κύκλου.
«Οι υπολογισμοί μας δείχνουν πώς το όριο μπορεί να οδηγήσει στην απελευθέρωση οξυγόνου σε υψηλή πίεση, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απόδοση», είπε ο Chan.
Η εξάλειψη του ορίου αποτρέπει την έκλυση οξυγόνου, βελτιώνοντας έτσι την ασφάλεια και την κυκλική σταθερότητα της καθόδου. Οι μετρήσεις της εξέλιξης του οξυγόνου με APS και μια προηγμένη πηγή φωτός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ επιβεβαιώνουν αυτό το συμπέρασμα.
«Τώρα έχουμε κατευθυντήριες γραμμές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι κατασκευαστές μπαταριών για να κατασκευάσουν υλικά καθόδου που δεν έχουν όρια και λειτουργούν σε υψηλή πίεση», δήλωσε ο Khalil Amin, Επίτιμος συνεργάτης 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。""Οι κατευθυντήριες γραμμές θα πρέπει να ισχύουν για καθοδικά υλικά εκτός από το NMC."
Ένα άρθρο σχετικά με αυτή τη μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Energy. Εκτός από τους Xu, Amin, Liu και Chang, οι συγγραφείς Argonne είναι οι 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 και Zonghai Chen. 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 Ouyang).
Σχετικά με το Κέντρο Νανοϋλικών Argonne Το Κέντρο Νανοϋλικών, ένα από τα πέντε ερευνητικά κέντρα νανοτεχνολογίας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, είναι το κορυφαίο εθνικό ίδρυμα χρήστη για διεπιστημονική έρευνα νανοκλίμακας που υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Μαζί, τα NSRC σχηματίζουν μια σουίτα συμπληρωματικών εγκαταστάσεων που παρέχουν στους ερευνητές 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 σε Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia και Los Alamos. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το NSRC DOE, επισκεφθείτε τη διεύθυνση https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​i​lit​​​​ie​s​/Us με μια ματιά.
Η προηγμένη πηγή φωτονίων (APS) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne είναι μια από τις πιο παραγωγικές πηγές ακτίνων Χ στον κόσμο. Το APS παρέχει ακτίνες Χ υψηλής έντασης σε μια ποικίλη ερευνητική κοινότητα στην επιστήμη των υλικών, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, τις επιστήμες ζωής και περιβάλλοντος και την εφαρμοσμένη έρευνα. Αυτές οι ακτίνες Χ είναι ιδανικές για τη μελέτη υλικών και βιολογικών δομών, την κατανομή στοιχείων, χημικών, μαγνητικών και ηλεκτρονικών καταστάσεων και τεχνικά σημαντικών μηχανολογικών συστημάτων κάθε είδους, από μπαταρίες έως ακροφύσια μπεκ ψεκασμού καυσίμου, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την εθνική μας οικονομία, την τεχνολογία . και σώμα Η βάση της υγείας. Κάθε χρόνο, περισσότεροι από 5.000 ερευνητές χρησιμοποιούν το APS για να δημοσιεύσουν περισσότερες από 2.000 δημοσιεύσεις που περιγράφουν λεπτομερώς σημαντικές ανακαλύψεις και επιλύουν σημαντικότερες δομές βιολογικών πρωτεϊνών από 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 ακτίνες Χ που βραβεύονται από τους ερευνητές, φακούς που εστιάζουν τις ακτίνες Χ σε λίγα νανόμετρα, όργανα που μεγιστοποιούν τον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν με το υπό μελέτη δείγμα και τη συλλογή και διαχείριση ανακαλύψεων APS Η έρευνα δημιουργεί τεράστιους όγκους δεδομένων.
Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε πόρους από το Advanced Photon Source, ένα Κέντρο Χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ που λειτουργεί από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne για το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ με αριθμό σύμβασης DE-AC02-06CH11357.
Το Εθνικό Εργαστήριο Argonne προσπαθεί να λύσει τα πιεστικά προβλήματα της εγχώριας επιστήμης και τεχνολογίας. Ως το πρώτο εθνικό εργαστήριο στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Argonne διεξάγει βασική και εφαρμοσμένη έρευνα αιχμής σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακούς, πολιτειακούς και δημοτικούς φορείς 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 Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες του έθνους, που εργάζεται για την αντιμετώπιση ορισμένων από τα πιο πιεστικά ζητήματα της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση https://​energy​.gov/​science​ience.