Истраживачи у Националној лабораторији Аргон при Министарству енергетике САД (DOE) имају дугу историју пионирских открића у области литијум-јонских батерија. Многи од ових резултата односе се на катоду батерије, названу NMC, никл-манган и кобалт-оксид. Батерија са овом катодом сада покреће Шевролет Болт.
Истраживачи из Аргона су постигли још један пробој у области NMC катода. Нова структура ситних честица катоде коју је спровео тим могла би учинити батерију издржљивијом и безбеднијом, способном да ради на веома високим напонима и да обезбеди дуже домете путовања.
„Сада имамо смернице које произвођачи батерија могу користити за израду катодних материјала под високим притиском, без ивица“, рекао је Халил Амин, почасни члан Аргонског колеџа.
„Постојеће NMC катоде представљају велику препреку за рад на високом напону“, рекао је помоћник хемичара Гуилијанг Сју. Са циклусима пуњења и пражњења, перформансе брзо опадају због стварања пукотина у честицама катоде. Деценијама, истраживачи батерија траже начине да поправе ове пукотине.
Једна метода у прошлости је користила ситне сферне честице састављене од многих много мањих честица. Велике сферне честице су поликристалне, са кристалним доменима различитих оријентација. Као резултат тога, имају оно што научници називају границама зрна између честица, што може проузроковати пуцање батерије током циклуса. Да би то спречили, колеге Сјуа и Аргона су претходно развиле заштитни полимерни премаз око сваке честице. Овај премаз окружује велике сферне честице и мање честице унутар њих.
Други начин да се избегне ова врста пуцања јесте коришћење монокристалних честица. Електронска микроскопија ових честица је показала да немају границе.
Проблем за тим је био што су катоде направљене од обложених поликристала и монокристала и даље пуцале током циклуса. Стога су спровели опсежну анализу ових катодних материјала у Центру за напредне фотонске изворе (APS) и Центру за наноматеријале (CNM) у Научном центру Аргон Министарства енергетике САД.
Различите рендгенске анализе су спроведене на пет APS кракова (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Испоставило се да је оно што су научници сматрали монокристалом, како је показано електронском и рендгенском микроскопијом, заправо имало границу унутра. Скенирајућа и трансмисиона електронска микроскопија CNM-ова потврдиле су овај закључак.
„Када смо погледали површинску морфологију ових честица, изгледале су као монокристали“, рекао је физичар Венђун 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和其他技术时，我们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 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Међутим, када смо користили технику која се зове синхротронска рендгенска дифракцијска микроскопија и друге технике у APS-у, открили смо да су границе скривене унутра.“
Важно је напоменути да је тим развио метод за производњу монокристала без граница. Тестирање малих ћелија са овом монокристалном катодом на веома високим напонима показало је повећање складиштења енергије по јединици запремине од 25% практично без губитка перформанси током 100 циклуса тестирања. Насупрот томе, NMC катоде састављене од вишеслојних монокристала или обложених поликристала показале су пад капацитета од 60% до 88% током истог животног века.
Прорачуни на атомској скали откривају механизам смањења катодног капацитета. Према речима Марије Чанг, нанонаучнице у CNM-у, границе су склоније губитку атома кисеоника када се батерија пуни него подручја која су даље 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 смањења перформанси“, рекао је Чен.
Уклањање границе спречава ослобађање кисеоника, чиме се побољшава безбедност и циклична стабилност катоде. Мерења ослобађања кисеоника помоћу APS-а и напредног извора светлости у Националној лабораторији Лоренс Беркли при Министарству енергетике САД потврђују овај закључак.
„Сада имамо смернице које произвођачи батерија могу користити за израду катодних материјала који немају границе и раде под високим притиском“, рекао је Халил Амин, почасни члан Аргонског колеџа. 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 NMC.“
Чланак о овој студији појавио се у часопису Натуре Енерги. Поред Сјуа, Амина, Лиуа и Чанга, аутори из Аргоне су Сјанг Лиу, Венката Сурја Чаитања Колуру, Чен Џао, Ксинвеј Џоу, Јузи Лиу, Лианг Јинг, Амин Даали, Јанг Рен, Венћијан Сју, Џуњинг Денг, Инхуи Хванг, Мју Џун Хо, Та Ченг, М. 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 Аргонском центру за наноматеријале Центар за наноматеријале, један од пет истраживачких центара за нанотехнологију Министарства енергетике САД, је водећа национална корисничка институција за интердисциплинарна истраживања у наноскали коју подржава Канцеларија за науку Министарства енергетике САД. Заједно, NSRC-ови чине скуп комплементарних објеката који истраживачима пружају најсавременије могућности за израду, обраду, карактеризацију и моделирање наноскалних материјала и представљају највећу инфраструктурну инвестицију у оквиру Националне иницијативе за нанотехнолошку иницијативу. NSRC се налази у Националним лабораторијама Министарства енергетике САД у Аргону, Брукхејвену, Лоренс Берклију, Оук Риџу, Сандији и Лос Аламосу. За више информација о NSRC DOE, посетите 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.
Напредни фотонски извор (APS) Министарства енергетике САД у Националној лабораторији Аргон један је од најпродуктивнијих извора X-зрака на свету. APS пружа X-зраке високог интензитета разноврсној истраживачкој заједници у науци о материјалима, хемији, физици кондензоване материје, наукама о животу и животној средини, као и примењеним истраживањима. Ови X-зраци су идеални за проучавање материјала и биолошких структура, расподеле елемената, хемијских, магнетних и електронских стања и технички важних инжењерских система свих врста, од батерија до млазница за убризгавање горива, које су од виталног значаја за нашу националну економију, технологију и тело. Основа здравља. Сваке године више од 5.000 истраживача користи APS да објави више од 2.000 публикација које детаљно описују важна открића и решавају важније биолошке структуре протеина него корисници било ког другог центра за истраживање X-зрака. Научници и инжењери APS-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 истраживачи цене, сочива која фокусирају рендгенске зраке до неколико нанометара, инструменте који максимизирају начин на који рендгенски зраци интерагују са узорком који се проучава, и прикупљање и управљање открићима APS-а. Истраживање генерише огромне количине података.
Ова студија је користила ресурсе из Advanced Photon Source-а, Корисничког центра Канцеларије за науку Министарства енергетике САД, којим управља Национална лабораторија Аргон за Канцеларију за науку Министарства енергетике САД по уговору број DE-AC02-06CH11357.
Национална лабораторија Аргон тежи да реши горуће проблеме домаће науке и технологије. Као прва национална лабораторија у Сједињеним Државама, Аргон спроводи најсавременија основна и примењена истраживања у готово свакој научној дисциплини. Истраживачи Аргона тесно сарађују са истраживачима из стотина компанија, универзитета и савезних, државних и општинских агенција како би им помогли да реше специфичне проблеме, унапреде научно лидерство САД и припреме нацију за бољу будућност. Аргон запошљава запослене из преко 60 земаља, а њиме управља UChicago Argonne, LLC Канцеларије за науку Министарства енергетике САД.
Канцеларија за науку Министарства енергетике САД је највећи национални заговорник основних истраживања у физичким наукама, радећи на решавању неких од најхитнијих питања нашег времена. За више информација посетите https://energy.gov/scienceience.