Дослідники Національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) мають довгу історію піонерських відкриттів у галузі літій-іонних батарей. Багато з цих результатів призначені для катода акумулятора, який називають NMC, нікелевим марганцем та оксидом кобальту. Акумулятор з цим катодом тепер живить болт Chevrolet.
Дослідники Аргонни досягли чергового прориву в катодах NMC. Нова конструкція частинок Катода команди може зробити акумулятор більш міцною та безпечнішою, здатною працювати з дуже високими напругами та забезпечити більш тривалі діапазони подорожей.
"Зараз ми маємо вказівки, які виробники акумуляторів можуть використовувати для виготовлення катодних матеріалів з високим тиском", Халіл Амін, стипендіат Аргонна.
"Існуючі катоди NMC представляють головну перешкоду для високої напруги", - сказав помічник хіміка Гільян Сю. З цикллю заряду-розряду продуктивність швидко падає через утворення тріщин у частинках катода. Десятиліттями дослідники акумуляторів шукали способи відновлення цих тріщин.
Один метод у минулому використовував крихітні сферичні частинки, що складаються з багатьох значно менших частинок. Великі сферичні частинки є полікристалічними, з кристалічними доменами різних орієнтацій. Як результат, у них є те, що вчені називають межі зерна між частинками, що може спричинити розтріскування акумулятора протягом циклу. Щоб запобігти цьому, колеги Сю та Аргонни раніше розробили захисне полімерне покриття навколо кожної частинки. Це покриття оточує великі сферичні частинки та менші частинки всередині них.
Ще один спосіб уникнути такого роду розтріскування - використовувати монокристалічні частинки. Електронна мікроскопія цих частинок показала, що у них немає меж.
Проблема для команди полягала в тому, що катоди, виготовлені з покриття полікристалів та монокристалів, які все ще тріскаються під час їзди на велосипеді. Тому вони провели широкий аналіз цих катодних матеріалів на передовому джерелі фотона (APS) та Центру наноматеріалів (CNM) в Науковому центрі Аргонни Міністерства енергетики США.
Різні рентгенівські аналізи проводили на п’яти зброї APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C та 34-ID-E). Виявляється, те, що вважали вченими, це монокристал, як показано електронною та рентгенівською мікроскопією, насправді мав межу всередині. Сканування та трансмісійна електронна мікроскопія CNM підтвердила цей висновок.
"Коли ми подивилися на поверхневу морфологію цих частинок, вони виглядали як одноразові кристали", - сказав фізик Венджун 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。” 我们发现边界隐藏在内部。 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 和 其他 时 ， 我们 边界 边界 隐藏 在。 在。 在。 在。 在。 隐藏”"Однак, коли ми використовували методику під назвою Рентгенівська дифракційна мікроскопія синхротрона та інші методики в APS, ми виявили, що межі були приховані всередині".
Важливо, що команда розробила метод отримання монокристалів без меж. Тестування дрібних клітин з цим монокристалічним катодом при дуже високих напругах показало збільшення на зберігання енергії на 25% на об'єм одиниці, практично не втрачаючи продуктивності за 100 тестових циклів. На відміну від цього, катоди NMC, що складаються з мульти-інтерфейсних монокристалів або полікристалів з покриттям, показали падіння потужності на 60% до 88% протягом одного життя.
Розрахунки атомних масштабів виявляють механізм зменшення ємності катода. За словами Марії Чанг, нанорозмір на CNM, межі частіше втрачають атоми кисню, коли акумулятор заряджається, ніж ділянки далі від них. Ця втрата кисню призводить до деградації клітинного циклу.
"Наші розрахунки показують, як межа може призвести до вивільнення кисню при високому тиску, що може призвести до зниження продуктивності", - сказав Чан.
Усунення прикордонних перешкод запобігає еволюції кисню, тим самим покращуючи безпеку та циклічну стійкість катода. Вимірювання еволюції кисню з APS та передовим джерелом світла в Національній лабораторії Лоуренса Берклі Міністерства енергетики США підтверджують цей висновок.
"Зараз у нас є вказівки, які виробники акумуляторів можуть використовувати для виготовлення катодних матеріалів, які не мають кордонів і працюють при високому тиску", - сказав Халіл Амін, співробітник 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。”"Керівні принципи повинні застосовуватися до катодних матеріалів, крім NMC."
Стаття про це дослідження з’явилася в журналі Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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, and Zonghai Chen. Вчені з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Ванлі Ян, Цінгтіан Лі та Зенгкін Чжуо), Університет Сямена (Джин-Джинг, Лінг Хуан та Ши-Ганг Сун) та університет Цінхуа (Дуншен Рен, Ксунінг Фенг та Мінгао Уйян).
Про Центр наноматеріалів Аргонна Центр наноматеріалів, один із п’яти науково -дослідних центрів Міністерства енергетики Міністерства енергетики, є провідним національним установою користувачів міждисциплінарних нанорозмірних досліджень, що підтримують Управління науки Міністерства енергетики США. Разом NSRC утворюють набір додаткових об'єктів, які надають дослідникам найсучасніші можливості для виготовлення, переробки, характеристики та моделювання нанорозмірних матеріалів та представляють найбільші інвестиції в інфраструктуру в рамках Національної ініціативи нанотехнології. NSRC розташований у Національних лабораторіях Міністерства енергетики США в Аргонні, Брукхейвені, Лоуренсі Берклі, Оук -Рідж, Санді та Лос -Аламос. Для отримання додаткової інформації про NSRC DOE відвідайте https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ye ​​s/up er-f a c i l it ie ie s-at -a glance.
Удосконалене джерело фотонів Міністерства енергетики (APS) в Національній лабораторії Аргонна є одним з найбільш продуктивних рентгенівських джерел у світі. APS забезпечує високу інтенсивність рентгенівських променів різноманітному дослідницькому співтовариству в галузі матеріалознавства, хімії, фізики конденсованої речовини, життя та екологічних наук та прикладних досліджень. Ці рентгенівські промені ідеально підходять для вивчення матеріалів та біологічних структур, розподілу елементів, хімічних, магнітних та електронних станів та технічно важливих інженерних систем різного роду, від акумуляторів до форсунок інжектора, які є життєво важливими для нашої національної економіки, технології. і організм основи здоров'я. Щороку понад 5000 дослідників використовують APS для публікації понад 2000 публікацій, в яких детально описуються важливі відкриття та вирішення важливіших біологічних структур білка, ніж користувачі будь-якого іншого рентгенівського дослідницького центру. Вчені та інженери APS впроваджують інноваційні технології, які є основою для підвищення продуктивності прискорювачів та джерел світла. Сюди входять вхідні пристрої, які створюють надзвичайно яскраві рентгенівські промені, які оцінюються дослідниками, лінзи, які фокусують рентгенівські промені до кількох нанометрів, інструменти, що максимізують спосіб взаємодії рентгенівських променів із досліджуваним зразком, а також збори та управління дослідженнями APS Discoveries генерує величезні обсяги даних.
У цьому дослідженні було використано ресурси від Advanced Photon Source, Центру користувачів енергетики Міністерства енергетики США, яким керував Національна лабораторія Аргонна для Міністерства енергетичних офісів Міністерства енергетики за номером контракту DE-AC02-06CH11357.
Національна лабораторія Аргонна прагне вирішити нагальні проблеми внутрішньої науки та техніки. Як перша національна лабораторія в США, Аргонна проводить передові основні та прикладні дослідження практично в кожній науковій дисципліні. Дослідники Аргонни тісно співпрацюють з дослідниками сотень компаній, університетів та федеральних, державних та муніципальних агентств, щоб допомогти їм вирішити конкретні проблеми, просувати наукове лідерство США та підготувати націю до кращого майбутнього. Аргонна працює з працівниками з понад 60 країн, а керує Uchicago Argonne, LLC Міністерства науки Міністерства енергетики Міністерства енергетики.
Управління науки Міністерства енергетики США є найбільшим прихильником в країні основних досліджень у фізичних науках, який працює над вирішенням деяких найактуальніших питань сучасності. Для отримання додаткової інформації відвідайте https: // Energy .gov/Science ience.