Navorsers by die Amerikaanse departement van energie (DOE) se Argonne Nasionale Laboratorium het 'n lang geskiedenis van baanbrekersontdekkings op die gebied van litium-ioonbatterye. Baie van hierdie resultate is vir die batterykatode, genoem NMC, nikkelmangaan en kobaltoksied. ’n Battery met hierdie katode dryf nou die Chevrolet Bolt aan.
Argonne-navorsers het nog 'n deurbraak in NMC-katodes behaal. Die span se nuwe klein katode-deeltjiestruktuur kan die battery duursaamer en veiliger maak, in staat wees om teen baie hoë spannings te werk en langer reisafstande te bied.
"Ons het nou leiding wat batteryvervaardigers kan gebruik om hoëdruk, randlose katodemateriaal te maak," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Bestaande NMC-katodes bied 'n groot struikelblok vir hoëspanningswerk," het assistent-chemikus Guiliang Xu gesê. Met lading-ontlading-siklus daal werkverrigting vinnig as gevolg van die vorming van krake in die katodedeeltjies. Vir dekades soek batterynavorsers maniere om hierdie krake te herstel.
Een metode in die verlede het klein sferiese deeltjies gebruik wat uit baie veel kleiner deeltjies saamgestel is. Groot sferiese deeltjies is polikristallyn, met kristallyne domeine van verskillende oriëntasies. Gevolglik het hulle wat wetenskaplikes graangrense tussen deeltjies noem, wat kan veroorsaak dat die battery tydens 'n siklus kraak. Om dit te voorkom, het Xu en Argonne se kollegas voorheen ’n beskermende polimeerbedekking rondom elke deeltjie ontwikkel. Hierdie deklaag omring groot sferiese deeltjies en kleiner deeltjies daarin.
Nog 'n manier om hierdie soort krake te vermy, is om enkelkristaldeeltjies te gebruik. Elektronmikroskopie van hierdie deeltjies het getoon dat hulle geen grense het nie.
Die probleem vir die span was dat katodes gemaak van bedekte polikristalle en enkelkristalle steeds tydens fietsry gekraak het. Daarom het hulle uitgebreide ontleding van hierdie katode-materiale gedoen by die Gevorderde Fotonbron (APS) en Sentrum vir Nanomateriale (CNM) by die Amerikaanse Departement van Energie se Argonne-wetenskapsentrum.
Verskeie x-straal-ontledings is op vyf APS-arms (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E) uitgevoer. Dit blyk dat wat wetenskaplikes gedink het 'n enkele kristal was, soos getoon deur elektron- en X-straalmikroskopie, eintlik 'n grens binne gehad het. Skandering en transmissie elektronmikroskopie van CNMs het hierdie gevolgtrekking bevestig.
"Toe ons na die oppervlakmorfologie van hierdie deeltjies gekyk het, het hulle soos enkelkristalle gelyk," het fisikus Wenjun Liu gesê. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜皼倌木微镜皻倌朌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 显微镜 的 时 口们 发现 边界 隐藏 在。”"Toe ons egter 'n tegniek genaamd sinchrotron X-straaldiffraksiemikroskopie en ander tegnieke by APS gebruik het, het ons gevind dat die grense binne versteek was."
Dit is belangrik dat die span 'n metode ontwikkel het om enkelkristalle sonder grense te produseer. Die toets van klein selle met hierdie enkelkristal-katode teen baie hoë spannings het 'n 25% toename in energieberging per eenheidsvolume getoon met feitlik geen verlies in werkverrigting oor 100 toetssiklusse nie. Daarteenoor het NMC-katodes saamgestel uit multi-koppelvlak enkelkristalle of bedekte polikristalle 'n kapasiteitsdaling van 60% tot 88% oor dieselfde leeftyd getoon.
Atoomskaalberekeninge openbaar die meganisme van katodekapasitansievermindering. Volgens Maria Chang, 'n nanowetenskaplike by CNM, is die kans groter dat grense suurstofatome sal verloor wanneer die battery gelaai word as gebiede verder weg daarvan. Hierdie verlies aan suurstof lei tot agteruitgang van die selsiklus.
"Ons berekeninge wys hoe die grens kan lei tot suurstof wat by hoë druk vrygestel word, wat kan lei tot verminderde werkverrigting," het Chan gesê.
Die uitskakeling van die grens verhoed suurstof-evolusie, waardeur die veiligheid en sikliese stabiliteit van die katode verbeter word. Suurstof-evolusiemetings met APS en 'n gevorderde ligbron by die Amerikaanse departement van energie se Lawrence Berkeley Nasionale Laboratorium bevestig hierdie gevolgtrekking.
"Nou het ons riglyne wat batteryvervaardigers kan gebruik om katodemateriale te maak wat geen grense het nie en teen hoë druk werk," het Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus, gesê. 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。”"Riglyne moet van toepassing wees op ander katodemateriaal as NMC."
’n Artikel oor hierdie studie het in die joernaal Nature Energy verskyn. Benewens Xu, Amin, Liu en Chang, is die Argonne-outeurs 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 en Zonghai Chen. Wetenskaplikes van die Lawrence Berkeley Nasionale Laboratorium (Wanli Yang, Qingtian Li en Zengqing Zhuo), Xiamen Universiteit (Jing-Jing Fan, Ling Huang en Shi-Gang Sun) en Tsinghua Universiteit (Dongsheng Ren, Xuning Feng en Mingao Ouyang).
Oor die Argonne-sentrum vir nanomateriale Die Sentrum vir Nanomateriale, een van vyf Amerikaanse departement van energie nanotegnologie navorsingsentrums, is die voorste nasionale gebruikersinstelling vir interdissiplinêre nanoskaalnavorsing wat deur die Amerikaanse departement van energie se kantoor van wetenskap ondersteun word. Saam vorm NSRC's 'n reeks komplementêre fasiliteite wat navorsers voorsien van die nuutste vermoëns vir die vervaardiging, verwerking, karakterisering en modellering van nanoskaalmateriale en verteenwoordig die grootste infrastruktuurinvestering onder die Nasionale Nanotegnologie-inisiatief. Die NSRC is geleë by die Amerikaanse Departement van Energie Nasionale Laboratoria in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Vir meer inligting oor die NSRC DOE, besoek https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​ilit​​​​ie​s​/​Us ​er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​in ’n oogopslag.
Die Amerikaanse departement van energie se gevorderde fotonbron (APS) by Argonne Nasionale Laboratorium is een van die mees produktiewe X-straalbronne ter wêreld. APS verskaf hoë-intensiteit X-strale aan 'n diverse navorsingsgemeenskap in materiaalkunde, chemie, gekondenseerde materie fisika, lewens- en omgewingswetenskappe en toegepaste navorsing. Hierdie X-strale is ideaal vir die bestudering van materiale en biologiese strukture, die verspreiding van elemente, chemiese, magnetiese en elektroniese toestande, en tegnies belangrike ingenieurstelsels van alle soorte, van batterye tot brandstofinspuitpunte, wat noodsaaklik is vir ons nasionale ekonomie, tegnologie . en liggaam Die basis van gesondheid. Elke jaar gebruik meer as 5 000 navorsers APS om meer as 2 000 publikasies te publiseer wat belangrike ontdekkings uiteensit en belangriker biologiese proteïenstrukture oplos as gebruikers van enige ander X-straalnavorsingsentrum. APS-wetenskaplikes en -ingenieurs implementeer innoverende tegnologieë wat die basis is vir die verbetering van die werkverrigting van versnellers en ligbronne. Dit sluit in invoertoestelle wat uiters helder X-strale produseer wat deur navorsers gewaardeer word, lense wat X-strale tot 'n paar nanometer fokus, instrumente wat die manier waarop X-strale interaksie met die monster wat bestudeer word maksimeer, en die versameling en bestuur van APS-ontdekkings insluit. Navorsing genereer groot datavolumes.
Hierdie studie het hulpbronne gebruik van Advanced Photon Source, 'n US Department of Energy Office of Science User Centre wat deur Argonne National Laboratory vir die US Department of Energy Office of Science bedryf word onder kontraknommer DE-AC02-06CH11357.
Die Argonne Nasionale Laboratorium streef daarna om die dringende probleme van huishoudelike wetenskap en tegnologie op te los. As die eerste nasionale laboratorium in die Verenigde State, doen Argonne toonaangewende basiese en toegepaste navorsing in feitlik elke wetenskaplike dissipline. Argonne-navorsers werk nou saam met navorsers van honderde maatskappye, universiteite en federale, staats- en munisipale agentskappe om hulle te help om spesifieke probleme op te los, Amerikaanse wetenskaplike leierskap te bevorder en die nasie voor te berei vir 'n beter toekoms. Argonne het werknemers van meer as 60 lande in diens en word bedryf deur UChicago Argonne, LLC van die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap.
Die Kantoor van Wetenskap van die Amerikaanse Departement van Energie is die land se grootste voorstander van basiese navorsing in die fisiese wetenskappe, en werk daaraan om sommige van die dringendste kwessies van ons tyd aan te spreek. Vir meer inligting, besoek https://​energy​.gov/​science​ience.