Истраживачи из Националне лабораторије Аргонне Министарства енергетике САД (ДОЕ) имају дугу историју пионирских открића у области литијум-јонских батерија. Многи од ових резултата су за катоду батерије, названу НМЦ, никл-манган и кобалт оксид. Батерија са овом катодом сада напаја Цхевролет Болт.
Аргонне истраживачи су постигли још један продор у НМЦ катодама. Нова структура малих катодних честица тима могла би да учини батерију издржљивијом и сигурнијом, способном да ради на веома високим напонима и да обезбеди веће домете путовања.
„Сада имамо смернице које произвођачи батерија могу да користе за израду катодних материјала без ивица под високим притиском“, рекао је Кхалил Амин, емеритус Аргонне Феллов.
„Постојеће НМЦ катоде представљају велику препреку за рад на високом напону“, рекао је помоћник хемичара Гуилианг Ксу. Са циклусом пуњења и пражњења, перформансе брзо опадају због стварања пукотина у честицама катоде. Деценијама, истраживачи батерија су тражили начине да поправе ове пукотине.
Једна метода у прошлости користила је ситне сферичне честице састављене од много много мањих честица. Велике сферне честице су поликристалне, са кристалним доменима различите оријентације. Као резултат, они имају оно што научници називају границама зрна између честица, што може проузроковати пуцање батерије током циклуса. Да би то спречили, Ксу и Аргонове колеге су претходно развиле заштитни полимерни премаз око сваке честице. Овај премаз окружује велике сферичне честице и мање честице унутар њих.
Други начин да се избегне ова врста пуцања је коришћење честица монокристала. Електронска микроскопија ових честица показала је да оне немају границе.
Проблем за тим је био тај што су катоде направљене од обложених поликристала и монокристала и даље пуцале током циклуса. Због тога су спровели опсежну анализу ових катодних материјала у Напредном извору фотона (АПС) и Центру за наноматеријале (ЦНМ) у Научном центру Аргонне Министарства енергетике САД.
Урађене су различите рендгенске анализе на пет АПС кракова (11-БМ, 20-БМ, 2-ИД-Д, 11-ИД-Ц и 34-ИД-Е). Испоставило се да оно што су научници мислили да је један кристал, као што је показала електронска и рендгенска микроскопија, заправо има границу унутра. Скенирајућа и трансмисиона електронска микроскопија ЦНМ-а потврдила је овај закључак.
„Када смо погледали морфологију површине ових честица, изгледале су као појединачни кристали“, рекао је физичар Вењун Лиу. а�<“但是，当我们在АПС 使用一种称为同步加速器Кс 射线衍射显微镜的技术寻技术寻发现边界隐藏在内部。” а� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 к 射线 显微 们 发现 边界 隐藏 在。”"Међутим, када смо користили технику која се зове синхротронска рендгенска дифракциона микроскопија и друге технике у АПС-у, открили смо да су границе скривене унутра."
Важно је да је тим развио методу за производњу појединачних кристала без граница. Тестирање малих ћелија са овом монокристалном катодом на веома високим напонима показало је повећање од 25% у складиштењу енергије по јединици запремине без губитка перформанси током 100 циклуса испитивања. Насупрот томе, НМЦ катоде састављене од монокристала са више интерфејса или обложених поликристала су показале пад капацитета од 60% до 88% током истог века трајања.
Прорачуни атомске скале откривају механизам смањења катодног капацитета. Према Марији Чанг, нанонаучници у ЦНМ-у, већа је вероватноћа да ће границе изгубити атоме кисеоника када се батерија напуни него подручја која су удаљенија од њих. Овај губитак кисеоника доводи до деградације ћелијског циклуса.
"Наши прорачуни показују како граница може довести до ослобађања кисеоника под високим притиском, што може довести до смањених перформанси", рекао је Цхан.
Елиминисањем границе спречава се еволуција кисеоника, чиме се побољшава безбедност и циклична стабилност катоде. Мерења еволуције кисеоника помоћу АПС-а и напредног извора светлости у Националној лабораторији Лоренса Берклија при Министарству енергетике САД потврђују овај закључак.
„Сада имамо смернице које произвођачи батерија могу да користе за прављење катодних материјала који немају границе и раде под високим притиском“, рекао је Кхалил Амин, Аргонне Феллов Емеритус. а�<“该指南应适用于НМЦ 以外的其他正极材料。。” а�<“该指南应适用于НМЦ 以外的其他正极材料。。”„Смернице треба да се примењују на катодне материјале који нису НМЦ.“
Чланак о овој студији појавио се у часопису Натуре Енерги. Поред Ксуа, Амина, Лиуа и Чанга, аутори из Аргона су Сјанг Лиу, Венката Сурја Чајтања Колуру, Чен Џао, Ксинвеј Џоу, Јузи Лиу, Лианг Јинг, Амин Даали, Јанг Рен, Венћијан Ксу, Јуњинг Денг, Инхуи Хванг, Цхенгјун Сун, Тао Зхоу, Минг Ду и Зонгхаи Цхен. Научници из Националне лабораторије Лоренс Беркли (Ванли Јанг, Ћингтијан Ли и Зенгкинг Жуо), Универзитета Сјамен (Јинг-Јинг Фан, Линг Хуанг и Ши-Ганг Сун) и Универзитета Тсингхуа (Донгшенг Рен, Ксунинг Фенг и Мингао Оујанг).
О Аргонне центру за наноматеријале Центар за наноматеријале, један од пет истраживачких центара за нанотехнологију Министарства енергетике САД, је главна национална корисничка институција за интердисциплинарна истраживања наноразмера уз подршку Канцеларије за науку Министарства енергетике САД. Заједно, НСРЦ-ови чине скуп комплементарних објеката који истраживачима пружају најсавременије могућности за производњу, обраду, карактеризацију и моделирање материјала у наноразмери и представљају највећу инфраструктурну инвестицију у оквиру Националне иницијативе за нанотехнологију. НСРЦ се налази у националним лабораторијама америчког Министарства енергетике у Аргону, Брукхејвену, Лоренсу Берклију, Оук Риџу, Сандији и Лос Аламосу. За више информација о НСРЦ ДОЕ, посетите хттпс://​сциенце​.ости​.гов/​Ус​ер​-​Ф​а​ц​и​лит​​​​ие​с​/ ​Ус​ ​ер​-​Ф​а​и​л​ит​ие​ие​с​-​на​-поглед.
Напредни извор фотона (АПС) америчког Министарства енергетике у Националној лабораторији Аргонне један је од најпродуктивнијих извора рендгенских зрака на свету. АПС пружа рендгенске зраке високог интензитета разноликој истраживачкој заједници у науци о материјалима, хемији, физици кондензоване материје, науци о животу и животној средини и примењеним истраживањима. Ови рендгенски зраци су идеални за проучавање материјала и биолошких структура, дистрибуције елемената, хемијских, магнетних и електронских стања и технички важних инжењерских система свих врста, од батерија до млазница за убризгавање горива, који су од виталног значаја за нашу националну економију, технологију . и тело Основа здравља. Сваке године, више од 5.000 истраживача користи АПС за објављивање више од 2.000 публикација са детаљима о важним открићима и решавању важнијих биолошких протеинских структура него корисници било ког другог центра за истраживање рендгенских зрака. Научници и инжењери АПС-а примењују иновативне технологије које су основа за побољшање перформанси акцелератора и извора светлости. Ово укључује улазне уређаје који производе изузетно светле рендгенске зраке које су ценили истраживачи, сочива која фокусирају рендгенске зраке до неколико нанометара, инструменте који максимизирају начин на који рендгенски зраци комуницирају са узорком који се проучава, и прикупљање и управљање открићима АПС-а. Истраживање генерише огромне количине података.
Ова студија је користила ресурсе из Адванцед Пхотон Соурце, корисничког центра америчког Министарства енергетике, Канцеларије за науку, којим управља Национална лабораторија Аргонне за Канцеларију за науку Министарства енергетике САД под бројем уговора ДЕ-АЦ02-06ЦХ11357.
Национална лабораторија Аргонне настоји да реши горуће проблеме домаће науке и технологије. Као прва национална лабораторија у Сједињеним Државама, Аргонне спроводи најсавременија основна и примењена истраживања у скоро свим научним дисциплинама. Истраживачи из Аргона блиско сарађују са истраживачима из стотина компанија, универзитета и савезних, државних и општинских агенција како би им помогли да реше специфичне проблеме, унапреде америчко научно вођство и припреме нацију за бољу будућност. Аргонне запошљава запослене из преко 60 земаља и њиме управља УЦхицаго Аргонне, ЛЛЦ из Канцеларије за науку Министарства енергетике САД.
Канцеларија за науку Министарства енергетике САД је највећи национални заговорник основних истраживања у физичким наукама, који ради на решавању неких од најхитнијих питања нашег времена. За више информација посетите хттпс://​енерги​.гов/​сциенце​иенце.