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 αφορούν την κάθοδο της μπαταρίας, που ονομάζεται NMC, το νικέλιο-μαγγάνιο και το οξείδιο του κοβαλτίου. Μια μπαταρία με αυτήν την κάθοδο τροφοδοτεί πλέον το Chevrolet Bolt.
Οι ερευνητές του Argonne πέτυχαν μια ακόμη σημαντική ανακάλυψη στις καθόδους NMC. Η νέα μικροσκοπική δομή 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 εμβέλειες διαδρομής.
«Έχουμε πλέον οδηγίες που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι κατασκευαστές μπαταριών για την κατασκευή υλικών καθόδου υψηλής πίεσης, χωρίς περιθώρια», δήλωσε ο Khalil Amin, ομότιμος συνεργάτης του Argonne.
«Οι υπάρχουσες κάθοδοι NMC αποτελούν ένα σημαντικό εμπόδιο για την εργασία υψηλής τάσης», δήλωσε ο βοηθός χημικός Guiliang Xu. Με τον κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης, η απόδοση μειώνεται ραγδαία λόγω του σχηματισμού ρωγμών στα σωματίδια της καθόδου. Για δεκαετίες, οι ερευνητές μπαταριών αναζητούν τρόπους για την επιδιόρθωση αυτών των ρωγμών.
Μία 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 ονομάζουν όρια κόκκων μεταξύ των σωματιδίων, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν ρωγμή της μπαταρίας κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Για να αποτραπεί αυτό, οι συνάδελφοι του Xu και του Argonne είχαν αναπτύξει προηγουμένως μια προστατευτική πολυμερική επίστρωση γύρω από κάθε σωματίδιο. Αυτή η επίστρωση περιβάλλει τα μεγάλα σφαιρικά σωματίδια και τα μικρότερα σωματίδια μέσα σε αυτά.
Ένας άλλος τρόπος για να αποφευχθεί αυτό το είδος ρωγμάτωσης είναι η χρήση μονοκρυσταλλικών σωματιδίων. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία αυτών των σωματιδίων έδειξε ότι δεν έχουν όρια.
Το πρόβλημα για την ομάδα ήταν ότι οι κάθοδοι που κατασκευάζονταν από επικαλυμμένους πολυκρυστάλλους και μονοκρυστάλλους εξακολουθούσαν να ραγίζουν κατά τη διάρκεια του κύκλου. Ως εκ τούτου, διεξήγαγαν εκτεταμένη ανάλυση αυτών των υλικών καθόδου στην Προηγμένη Πηγή Φωτονίων (APS) και στο Κέντρο Νανοϋλικών (CNM) στο Επιστημονικό Κέντρο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Διάφορες αναλύσεις ακτίνων Χ πραγματοποιήθηκαν 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 μονοκρύσταλλος, όπως έδειξε η ηλεκτρονική μικροσκοπία και η μικροσκοπία ακτίνων Χ, στην πραγματικότητα είχε ένα εσωτερικό όριο. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διέλευσης των CNM επιβεβαίωσε αυτό το συμπέρασμα.
«Όταν εξετάσαμε την επιφανειακή μορφολογία 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 显微镜 的 技我们 发现 边界 隐藏 在。”«Ωστόσο, όταν χρησιμοποιήσαμε μια τεχνική που ονομάζεται μικροσκοπία περίθλασης ακτίνων Χ συγχρότρον και άλλες τεχνικές στο APS, διαπιστώσαμε ότι τα όρια ήταν κρυμμένα στο εσωτερικό τους».
Είναι σημαντικό ότι η ομάδα ανέπτυξε μια μέθοδο για την παραγωγή μονοκρυστάλλων χωρίς όρια. Η δοκιμή μικρών κυψελών με αυτήν την κάθοδο μονοκρυστάλλου σε πολύ υψηλές τάσεις έδειξε αύξηση 25% στην αποθήκευση ενέργειας ανά μονάδα όγκου, ουσιαστικά χωρίς απώλεια απόδοσης σε διάστημα 100 κύκλων δοκιμών. Αντίθετα, οι κάθοδοι NMC που αποτελούνται από μονοκρυστάλλους πολλαπλών διεπαφών ή επικαλυμμένους πολυκρυστάλλους έδειξαν μείωση χωρητικότητας από 60% έως 88% κατά την ίδια διάρκεια ζωής.
Οι υπολογισμοί σε ατομική κλίμακα αποκαλύπτουν τον μηχανισμό 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 ό,τι οι περιοχές που βρίσκονται 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, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απόδοση», δήλωσε ο Chan.
Η εξάλειψη του ορίου εμποδίζει την έκλυση οξυγόνου, βελτιώνοντας έτσι την ασφάλεια και την κυκλική σταθερότητα της καθόδου. Οι μετρήσεις έκλυσης 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, ομότιμος συνεργάτης του 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 υλικά καθόδου εκτός από 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, Zhuang, Chengjung, Chengjung, Sun. 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 ο κορυφαίος εθνικός φορέας χρήστη για διεπιστημονική έρευνα νανοκλίμακας που υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Μαζί, τα NSRC αποτελούν μια σειρά 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 σε υποδομές στο πλαίσιο της Εθνικής Πρωτοβουλίας Νανοτεχνολογίας. Το NSRC βρίσκεται στα Εθνικά Εργαστήρια του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Argonne, το Brookhaven, το Lawrence Berkeley, το Oak Ridge, τη Sandia και το Los Alamos. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το NSRC DOE, επισκεφθείτε τη διεύθυνση https://science.osti.gov/User-Faci-lit-it-ie-ies-at-a-Glance.
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. Η APS παρέχει ακτίνες Χ υψηλής έντασης σε μια ποικιλόμορφη ερευνητική κοινότητα στην επιστήμη των υλικών, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, τις βιοεπιστήμες και τις περιβαλλοντικές επιστήμες, καθώς και στην εφαρμοσμένη έρευνα. Αυτές οι ακτίνες Χ είναι ιδανικές για τη μελέτη υλικών και βιολογικών δομών, την κατανομή των στοιχείων, τις χημικές, μαγνητικές και ηλεκτρονικές καταστάσεις, και τεχνικά σημαντικά μηχανικά συστήματα κάθε είδους, από μπαταρίες έως ακροφύσια μπεκ ψεκασμού καυσίμου, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την εθνική μας οικονομία, την τεχνολογία και το σώμα. Κάθε χρόνο, περισσότεροι από 5.000 ερευνητές χρησιμοποιούν την APS για να δημοσιεύσουν περισσότερες από 2.000 δημοσιεύσεις που περιγράφουν λεπτομερώς σημαντικές ανακαλύψεις και επιλύουν πιο σημαντικές βιολογικές πρωτεϊνικές δομές 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 ακτίνες Χ, τις οποίες εκτιμούν οι ερευνητές, φακούς που εστιάζουν τις ακτίνες Χ σε απόσταση λίγων νανομέτρων, όργανα που μεγιστοποιούν τον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν με το υπό μελέτη δείγμα, καθώς και τη συλλογή και διαχείριση ανακαλύψεων APS. Η έρευνα παράγει τεράστιους όγκους δεδομένων.
Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε πόρους από το Advanced Photon Source, ένα Κέντρο Χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο 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 αγωνίζεται να λύσει τα πιεστικά προβλήματα της εγχώριας επιστήμης και τεχνολογίας. Ως το πρώτο εθνικό εργαστήριο στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Argonne διεξάγει πρωτοποριακή βασική και εφαρμοσμένη έρευνα σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές του Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακές, πολιτειακές 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. Το Argonne απασχολεί υπαλλήλους από περισσότερες από 60 χώρες και λειτουργεί από το UChicago Argonne, LLC του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις ΗΠΑ, εργαζόμενος για την αντιμετώπιση ορισμένων από τα πιο πιεστικά ζητήματα της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση https://energy.gov/science.