Дослідники з Аргоннської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) мають довгу історію новаторських відкриттів у галузі літій-іонних акумуляторів. Багато з цих результатів стосуються катода акумулятора, який називається NMC, нікель-марганцевої сталі та оксиду кобальту. Акумулятор з таким катодом тепер живить Chevrolet Bolt.
Дослідники з Аргонна досягли чергового прориву в розробці катодів з неметал-метал-металургійних матеріалів (NMC). Нова структура катодних частинок, розроблена командою, може зробити акумулятор більш довговічним та безпечним, здатним працювати при дуже високих напругах та забезпечувати більшу дальність ходу.
«Тепер у нас є рекомендації, які виробники акумуляторів можуть використовувати для створення катодних матеріалів високого тиску без меж», – Халіл Амін, почесний член Аргоннського університету.
«Існуючі катоди з неметаллічних металів (NMC) створюють серйозну перешкоду для роботи з високою напругою», — сказав помічник хіміка Гуйлян Сюй. При циклічному заряді-розряді продуктивність швидко падає через утворення тріщин у частинках катода. Протягом десятиліть дослідники акумуляторів шукали способи ремонту цих тріщин.
В одному з методів у минулому використовувалися крихітні сферичні частинки, що складаються з багатьох набагато менших частинок. Великі сферичні частинки є полікристалічними, з кристалічними доменами різної орієнтації. В результаті вони мають те, що вчені називають межами зерен між частинками, що може призвести до розтріскування батареї під час циклу розрядки/зарядки. Щоб запобігти цьому, колеги Сюй 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 – використання монокристалічних частинок. Електронна мікроскопія цих частинок показала, що вони не мають меж.
Проблема для команди полягала в тому, що катоди, виготовлені з покритих полікристалів та монокристалів, все ще тріскалися під час циклування. Тому вони провели ретельний аналіз цих катодних матеріалів у Центрі передових фотонних джерел (APS) та Центрі наноматеріалів (CNM) у Науковому центрі Аргонн Міністерства енергетики США.
Різні рентгенівські аналізи були проведені на п'яти плечах APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C та 34-ID-E). Виявилося, що те, що вчені вважали монокристалом, як показали електронна та рентгенівська мікроскопія, насправді мало внутрішню межу. Скануюча та просвічуюча електронна мікроскопія CNM підтвердили цей висновок.
«Коли ми розглядали 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 використали метод, який називається синхротронною рентгенівською дифракційною мікроскопією, та інші методи в APS, ми виявили, що межі були приховані всередині».
Важливо, що команда розробила метод отримання монокристалів без меж. Тестування малих комірок з цим монокристалічним катодом при дуже високих напругах показало 25% збільшення накопичення енергії на одиницю об'єму практично без втрати продуктивності протягом 100 циклів випробувань. Натомість, катоди з NMC, що складаються з багатоінтерфейсних монокристалів або покритих полікристалів, показали падіння ємності від 60% до 88% протягом того ж терміну служби.
Розрахунки в атомному масштабі розкривають механізм зменшення ємності катода. За словами Марії Чанг, нанонауковця з CNM, межі частіше втрачають атоми кисню під час заряджання акумулятора, ніж області, розташовані далі від них. Ця втрата кисню призводить до погіршення клітинного циклу.
«Наші розрахунки показують, як межа може призвести до вивільнення 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 та вдосконаленого джерела світла в Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі Міністерства енергетики США підтверджують цей висновок.
«Тепер у нас є рекомендації, які виробники акумуляторів можуть використовувати для створення катодних матеріалів, що не мають обмежень та працюють під високим тиском», – сказав Халіл Амін, почесний член Аргоннського університету. 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, відмінних від 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 Сунь, Тао Чжоу, Мін Ду та 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 Аргоннський центр наноматеріалів Центр наноматеріалів, один із п’яти дослідницьких центрів нанотехнологій Міністерства енергетики США, є провідною національною установою-користувачем для міждисциплінарних досліджень у наномасштабі, що підтримується Управлінням науки Міністерства енергетики США. Разом NSRC утворюють комплекс додаткових установ, які надають дослідникам найсучасніші можливості для виготовлення, обробки, характеристики та моделювання нанорозмірних матеріалів і є найбільшими інфраструктурними інвестиціями в рамках Національної ініціативи з нанотехнологій. NSRC розташований у Національних лабораторіях Міністерства енергетики США в Аргонні, Брукхейвені, Лоуренсі Берклі, Оук-Рідж, Сандії та Лос-Аламосі. Для отримання додаткової інформації про NSRC DOE відвідайте https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Удосконалене джерело фотонів (APS) Міністерства енергетики США в Аргоннській національній лабораторії є одним з найпродуктивніших джерел рентгенівського випромінювання у світі. APS забезпечує високоінтенсивним рентгенівським випромінюванням різноманітну дослідницьку спільноту в галузі матеріалознавства, хімії, фізики конденсованих середовищ, наук про життя та навколишнє середовище, а також прикладних досліджень. Це рентгенівське випромінювання ідеально підходить для вивчення матеріалів та біологічних структур, розподілу елементів, хімічних, магнітних та електронних станів, а також технічно важливих інженерних систем усіх видів, від батарей до форсунок паливних форсунок, які є життєво важливими для нашої національної економіки, технологій та тіла. Основа здоров'я. Щороку понад 5000 дослідників використовують APS для публікації понад 2000 публікацій, що детально описують важливі відкриття та вирішення важливіших біологічних структур білків, ніж користувачі будь-якого іншого центру рентгенівських досліджень. Вчені та інженери APS впроваджують інноваційні технології, які є основою для покращення продуктивності прискорювачів та джерел світла. Це включає пристрої введення, що виробляють надзвичайно яскраві рентгенівські промені, що цінуються дослідниками, лінзи, що фокусують рентгенівські промені довжиною до кількох нанометрів, прилади, що максимізують взаємодію рентгенівських променів із досліджуваним зразком, а також збір та управління відкриттями APS. Дослідження генерують величезні обсяги даних.
У цьому дослідженні було використано ресурси Advanced Photon Source, Центру користувачів Управління науки Міністерства енергетики США, яким керує Національна лабораторія Аргонн для Управління науки Міністерства енергетики США за контрактом номер DE-AC02-06CH11357.
Національна лабораторія Аргонн прагне вирішувати нагальні проблеми вітчизняної науки і техніки. Як перша національна лабораторія у Сполучених Штатах, Аргонн проводить передові фундаментальні та прикладні дослідження практично в кожній науковій дисципліні. Дослідники Аргонн тісно співпрацюють з дослідниками з сотень компаній, університетів, а також федеральних, державних та муніципальних установ, щоб допомогти їм вирішувати конкретні проблеми, просувати наукове лідерство США та готувати країну до кращого майбутнього. В Аргонн працюють співробітники з понад 60 країн, а керує UChicago Argonne, LLC Управління науки Міністерства енергетики США.
Управління науки Міністерства енергетики США є найбільшим у країні прихильником фундаментальних досліджень у галузі фізичних наук, працюючи над вирішенням деяких найактуальніших проблем сучасності. Для отримання додаткової інформації відвідайте https://energy.gov/scienceience.