Дослідники Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) мають довгу історію новаторських відкриттів у галузі літій-іонних батарей. Багато з цих результатів стосуються катода акумулятора, який називається NMC, нікель-марганцю та оксиду кобальту. Батарея з таким катодом тепер живить Chevrolet Bolt.
Дослідники Argonne досягли ще одного прориву в катодах NMC. Нова структура крихітних катодних частинок, розроблена командою, може зробити батарею довговічнішою та безпечнішою, здатною працювати при дуже високій напрузі та забезпечувати більший запас ходу.
«Тепер у нас є вказівки, які виробники акумуляторів можуть використовувати для виготовлення безрамкових катодних матеріалів під високим тиском», — Халіл Амін, почесний співробітник Argonne.
«Існуючі катоди NMC є серйозною перешкодою для роботи під високою напругою», — сказав помічник хіміка Гуйлян Сю. З циклічним зарядом і розрядом продуктивність швидко падає через утворення тріщин у катодних частинках. Десятиліттями дослідники акумуляторів шукали способи усунути ці тріщини.
Один із методів у минулому використовував крихітні сферичні частинки, що складалися з багатьох набагато менших частинок. Великі сферичні частинки полікристалічні, з кристалічними доменами різної орієнтації. У результаті вони мають те, що вчені називають межами зерен між частинками, які можуть спричинити тріщину батареї під час циклу. Щоб запобігти цьому, колеги Сю та Аргонна раніше розробили захисне полімерне покриття навколо кожної частинки. Це покриття оточує великі сферичні частинки та менші частинки всередині них.
Інший спосіб уникнути такого роду розтріскування - використовувати монокристалічні частинки. Електронна мікроскопія цих частинок показала, що вони не мають кордонів.
Проблема для команди полягала в тому, що катоди, виготовлені з покритих полікристалів і монокристалів, все ще тріскалися під час циклювання. Тому вони провели широкий аналіз цих катодних матеріалів у Advanced Photon Source (APS) і Center for Nanomaterials (CNM) Аргоннського наукового центру Міністерства енергетики США.
На п’яти групах APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C і 34-ID-E) було проведено різні рентгенівські аналізи. Виявляється, те, що вчені вважали монокристалом, як показали електронна та рентгенівська мікроскопія, насправді мало межу всередині. Скануюча та трансмісійна електронна мікроскопія CNM підтвердила цей висновок.
«Коли ми подивилися на морфологію поверхні цих частинок, вони виглядали як монокристали», — сказав фізик Венцзюнь Лю. 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 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”«Однак, коли ми використовували техніку під назвою синхротронна рентгенівська дифракційна мікроскопія та інші методи в APS, ми виявили, що межі приховані всередині».
Важливо те, що команда розробила метод виробництва монокристалів без кордонів. Випробування невеликих елементів із цим монокристалічним катодом при дуже високій напрузі показало збільшення запасу енергії на одиницю об’єму на 25% без втрати продуктивності протягом 100 циклів тестування. Навпаки, NMC катоди, що складаються з багатоінтерфейсних монокристалів або покритих полікристалів, показали падіння ємності від 60% до 88% протягом того самого терміну служби.
Розрахунки в атомному масштабі розкривають механізм зменшення катодної ємності. За словами Марії Чанг, нанонауковця з CNM, кордони з більшою ймовірністю втратять атоми кисню під час заряджання батареї, ніж зони, розташовані далі від них. Ця втрата кисню призводить до деградації клітинного циклу.
«Наші розрахунки показують, як границя може призвести до виділення кисню під високим тиском, що може призвести до зниження продуктивності», — сказав Чан.
Усунення межі запобігає виділенню кисню, тим самим покращуючи безпеку та циклічну стабільність катода. Вимірювання виділення кисню за допомогою APS і сучасного джерела світла в Національній лабораторії Лоуренса Берклі Міністерства енергетики США підтверджують цей висновок.
«Тепер у нас є рекомендації, які виробники акумуляторів можуть використовувати для виготовлення катодних матеріалів, які не мають меж і працюють під високим тиском», — сказав Халіл Амін, почесний стипендіат Аргонни. 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。”«Рекомендації повинні застосовуватися до катодних матеріалів, крім NMC».
Стаття про це дослідження з'явилася в журналі Nature Energy. Окрім Сюй, Аміна, Лю та Чанга, авторами Аргонни є Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чень Чжао, Сіньвей Чжоу, Юйзі Лю, Лян Ін, Амін Даалі, Ян Рен, Веньцянь Сю, Цзюньцзін Ден, Інхуей Хван, Ченцзюнь Сун, Тао Чжоу, Мін Ду і Цзунхай Чен. Вчені з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Ваньлі Ян, Цінтян Лі та Цзенцін Чжо), Університету Сямень (Цзін-Цзін Фан, Лін Хуан і Ши-Ган Сун) та Університету Цінхуа (Дуншен Рен, Сюнін Фен і Мінгао Оуян).
Про Аргонський центр наноматеріалів Центр наноматеріалів, один із п’яти дослідницьких центрів нанотехнологій Міністерства енергетики США, є головною національною установою для міждисциплінарних нанорозмірних досліджень, яку підтримує Управління науки Міністерства енергетики США. Разом NSRC утворюють набір додаткових засобів, які надають дослідникам найсучасніші можливості для виготовлення, обробки, характеристики та моделювання нанорозмірних матеріалів, і є найбільшою інфраструктурною інвестицією в рамках Національної нанотехнологічної ініціативи. NSRC знаходиться в Національних лабораторіях Міністерства енергетики США в Аргонні, Брукхейвені, Лоуренс Берклі, Оук-Рідж, Сандія та Лос-Аламос. Для отримання додаткової інформації про NSRC DOE відвідайте https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​Fa​c​i​l​it​ie​ie​s​-at​-a​Glance.
Удосконалене джерело фотонів (APS) Міністерства енергетики США в Аргоннській національній лабораторії є одним із найпродуктивніших джерел рентгенівського випромінювання у світі. APS забезпечує рентгенівське випромінювання високої інтенсивності різноманітному науковому співтовариству в галузі матеріалознавства, хімії, фізики конденсованих середовищ, наук про життя та навколишнє середовище, а також прикладних досліджень. Ці рентгенівські промені ідеально підходять для вивчення матеріалів і біологічних структур, розподілу елементів, хімічних, магнітних і електронних станів, а також технічно важливих інженерних систем усіх видів, від акумуляторів до форсунок паливних форсунок, які є життєво важливими для нашої національної економіки, технологій . і тіло Основа здоров'я. Щороку понад 5000 дослідників використовують APS, щоб опублікувати понад 2000 публікацій із детальним описом важливих відкриттів і вирішенням більш важливих біологічних білкових структур, ніж користувачі будь-якого іншого центру рентгенівських досліджень. Вчені та інженери APS впроваджують інноваційні технології, які є основою для підвищення ефективності прискорювачів і джерел світла. Це включає в себе пристрої введення, які створюють надзвичайно яскраві рентгенівські промені, які цінують дослідники, лінзи, які фокусують рентгенівські промені до кількох нанометрів, інструменти, які максимізують спосіб взаємодії рентгенівських променів із досліджуваним зразком, а також збір і керування відкриттями APS. Дослідження генерують величезні обсяги даних.
У цьому дослідженні використовувалися ресурси Advanced Photon Source, Центру користувачів Управління науки Міністерства енергетики США, яким керує Аргонська національна лабораторія для Управління науки Міністерства енергетики США за номером контракту DE-AC02-06CH11357.
Аргонська національна лабораторія прагне вирішувати актуальні проблеми вітчизняної науки і техніки. Як перша національна лабораторія в Сполучених Штатах, Argonne проводить передові фундаментальні та прикладні дослідження практично в усіх наукових дисциплінах. Дослідники Argonne тісно співпрацюють із дослідниками із сотень компаній, університетів і федеральних, державних і муніципальних установ, щоб допомогти їм вирішити конкретні проблеми, підвищити наукове лідерство США та підготувати націю до кращого майбутнього. У компанії Argonne працюють співробітники з понад 60 країн, а компанія управляється UChicago Argonne LLC Управління науки Міністерства енергетики США.
Управління науки Міністерства енергетики США є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень у галузі фізичних наук у країні, яке працює над вирішенням деяких із найактуальніших проблем нашого часу. Для отримання додаткової інформації відвідайте https://​energy​.gov/​science​ience.