Navorsers by die Amerikaanse Departement van Energie (DOE) se Argonne Nasionale Laboratorium het 'n lang geskiedenis van baanbrekerswerk op die gebied van litiumioonbatterye. Baie van hierdie resultate is vir die batterykatode, genaamd NMC, nikkelmangaan en kobaltoksied. 'n Battery met hierdie katode dryf nou die Chevrolet Bolt aan.
Argonne-navorsers het nog 'n deurbraak in NMC-katodes gemaak. Die span se nuwe klein katodedeeltjiestruktuur kan die battery duursamer en veiliger maak, in staat wees om teen baie hoë spannings te werk en langer reikafstande te bied.
“Ons het nou riglyne wat batteryvervaardigers kan gebruik om hoëdruk-, randlose katodemateriale te maak,” het Khalil Amin, Argonne-genoot Emeritus, gesê.
“Bestaande NMC-katodes bied 'n groot struikelblok vir hoëspanningswerk,” het assistent-chemikus Guiliang Xu gesê. Met lading-ontladingsiklusse daal die werkverrigting vinnig as gevolg van die vorming van krake in die katodedeeltjies. Batterynavorsers soek al dekades lank na maniere om hierdie krake te herstel.
Een metode in die verlede het klein sferiese deeltjies gebruik wat uit baie baie kleiner deeltjies bestaan. Groot sferiese deeltjies is polikristallyn, met kristallyne domeine van verskillende oriëntasies. Gevolglik het hulle wat wetenskaplikes korrelgrense 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 polimeerlaag om elke deeltjie ontwikkel. Hierdie laag omring groot sferiese deeltjies en kleiner deeltjies daarbinne.
Nog 'n manier om hierdie soort kraking 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 siklusse gekraak het. Daarom het hulle uitgebreide analise van hierdie katodemateriale by die Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanomaterials (CNM) by die Amerikaanse Departement van Energie se Argonne Science Center uitgevoer.
Verskeie x-straalanalises 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 enkelkristal was, soos getoon deur elektron- en X-straalmikroskopie, eintlik 'n grens binne gehad het. Skandeer- en transmissie-elektronmikroskopie van KNM's 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 皅 微镜 嚄 嗊我们 发现 边界 隐藏 在。”“Toe ons egter ’n tegniek genaamd sinkrotron-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 enkelkristalkatode teen baie hoë spannings het 'n toename van 25% in energieberging per eenheidsvolume getoon met feitlik geen verlies aan werkverrigting oor 100 toetssiklusse nie. In teenstelling hiermee het NMC-katodes wat bestaan ​​uit multi-koppelvlak enkelkristalle of bedekte polikristalle, 'n kapasiteitsdaling van 60% tot 88% oor dieselfde leeftyd getoon.
Atoomskaalberekeninge onthul die meganisme van katodekapasitansievermindering. Volgens Maria Chang, 'n nanowetenskaplike by CNM, is grense meer geneig om suurstofatome te verloor wanneer die battery gelaai word as areas verder weg van hulle. Hierdie verlies aan suurstof lei tot die agteruitgang van die selsiklus.
“Ons berekeninge wys hoe die grens daartoe kan lei dat suurstof teen hoë druk vrygestel word, wat tot verminderde prestasie kan lei,” het Chan gesê.
Die uitskakeling van die grens verhoed suurstofontwikkeling, wat die veiligheid en sikliese stabiliteit van die katode verbeter. Suurstofontwikkelingsmetings 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 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 katodemateriale 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 Ming Duen, en Zonghai Sun, Chen Duo Zhou, en Zonghai. 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 nanotegnologie-navorsingsentrums van die Amerikaanse Departement van Energie, is die voorste nasionale gebruikersinstelling vir interdissiplinêre nanoskaalnavorsing wat ondersteun word deur die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap. Saam vorm NSRC's 'n reeks komplementêre fasiliteite wat navorsers van die nuutste vermoëns voorsien vir die vervaardiging, verwerking, karakterisering en modellering van nanoskaalmateriale en verteenwoordig die grootste infrastruktuurbelegging onder die Nasionale Nanotegnologie-inisiatief. Die NSRC is geleë by die Amerikaanse Departement van Energie se Nasionale Laboratoriums in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Vir meer inligting oor die NSRC DOE, besoek https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Die Amerikaanse Departement van Energie se Gevorderde Fotonbron (APS) by die Argonne Nasionale Laboratorium is een van die mees produktiewe X-straalbronne ter wêreld. APS verskaf hoë-intensiteit X-strale aan 'n diverse navorsingsgemeenskap in materiaalwetenskap, 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 vorm 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 met die monster onder studie interaksie het, maksimeer, en die versameling en bestuur van APS-ontdekkings. Navorsing genereer enorme datavolumes.
Hierdie studie het gebruik gemaak van hulpbronne van Advanced Photon Source, 'n gebruikerssentrum van die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap wat deur die Argonne Nasionale Laboratorium vir die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap onder kontraknommer DE-AC02-06CH11357 bedryf word.
Die Argonne Nasionale Laboratorium streef daarna om die dringende probleme van binnelandse wetenskap en tegnologie op te los. As die eerste nasionale laboratorium in die Verenigde State, doen Argonne baanbrekende 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 van die dringendste kwessies van ons tyd aan te spreek. Vir meer inligting, besoek https://energy.gov/scienceience.