ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Argonnas Nacionālās laboratorijas pētniekiem ir ilga vēsture ar novatoriskiem atklājumiem litija jonu akumulatoru jomā. Daudzi no šiem rezultātiem attiecas uz akumulatora katodu, ko sauc par NMC, niķeļa mangāna un kobalta oksīdu. Akumulators ar šo katodu tagad darbina Chevrolet Bolt.
Argonnas pētnieki ir guvuši vēl vienu izrāvienu NMC katodu jomā. Komandas jaunā sīkā katoda daļiņu struktūra varētu padarīt akumulatoru izturīgāku un drošāku, spējīgu darboties ar ļoti augstu spriegumu un nodrošināt lielākus darbības rādiusus.
“Tagad mums ir vadlīnijas, ko akumulatoru ražotāji var izmantot, lai izgatavotu augstspiediena, bezmalu katoda materiālus,” sacīja Argonne goda biedrs Khalils Amins.
“Esošie NMC katodi rada ievērojamu šķērsli augstsprieguma darbiem,” sacīja ķīmiķa asistents Guiljans Sju. Uzlādes un izlādes ciklu laikā veiktspēja strauji samazinās, jo katoda daļiņās veidojas plaisas. Jau gadu desmitiem akumulatoru pētnieki meklē veidus, kā šīs plaisas novērst.
Vienā agrākā metodē tika izmantotas sīkas sfēriskas daļiņas, kas sastāvēja no daudzām daudz mazākām daļiņām. Lielas sfēriskas daļiņas ir polikristāliskas, ar dažādu orientāciju kristāliskiem domēniem. Tā rezultātā tām ir tas, ko zinātnieki sauc par graudu robežām starp daļiņām, kas cikla laikā var izraisīt akumulatora plaisāšanu. Lai to novērstu, Sju un Argonnes kolēģi iepriekš bija izstrādājuši aizsargājošu polimēru pārklājumu ap katru daļiņu. Šis pārklājums ieskauj lielas sfēriskas daļiņas un tajās esošās mazākās daļiņas.
Vēl viens veids, kā izvairīties no šāda veida plaisāšanas, ir izmantot monokristāla daļiņas. Šo daļiņu elektronmikroskopija parādīja, ka tām nav robežu.
Komandas problēma bija tā, ka no pārklātiem polikristāliem un monokristāliem izgatavoti katodi ciklēšanas laikā joprojām plaisāja. Tāpēc viņi veica plašu šo katoda materiālu analīzi ASV Enerģētikas departamenta Argonne zinātnes centra Uzlabotajā fotonu avotā (APS) un Nanomateriālu centrā (CNM).
Piecām APS grupām (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C un 34-ID-E) tika veiktas dažādas rentgena analīzes. Izrādījās, ka tas, ko zinātnieki uzskatīja par monokristālu, kā parādīja elektronu un rentgena mikroskopija, patiesībā iekšpusē bija robeža. CNM skenējošā un transmisijas elektronu mikroskopija apstiprināja šo secinājumu.
"Kad mēs aplūkojām šo daļiņu virsmas morfoloģiju, tās izskatījās kā monokristāli," sacīja fiziķis Veņdžuns Liu. 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 在 在 使用 使用 种 加速器， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Tomēr, kad APS izmantojām metodi, ko sauc par sinhrotrona rentgenstaru difrakcijas mikroskopiju, un citas metodes, mēs atklājām, ka robežas bija paslēptas iekšpusē."
Svarīgi ir tas, ka komanda ir izstrādājusi metodi monokristālu ražošanai bez robežām. Mazo šūnu testēšana ar šo monokristāla katodu pie ļoti augsta sprieguma uzrādīja enerģijas uzkrāšanas pieaugumu par 25% uz tilpuma vienību, praktiski nezaudējot veiktspēju 100 testa ciklu laikā. Turpretī NMC katodi, kas sastāv no daudzsaskarņu monokristāliem vai pārklātiem polikristāliem, uzrādīja kapacitātes kritumu par 60% līdz 88% tajā pašā kalpošanas laikā.
Atomu mēroga aprēķini atklāj katoda kapacitātes samazināšanās mehānismu. Saskaņā ar CNM nanozinātnieces Marijas Čangas teikto, akumulatora uzlādes laikā robežzonas, visticamāk, zaudēs skābekļa atomus, nekā zonas, kas atrodas tālāk no tiem. Šis skābekļa zudums noved pie šūnu cikla degradācijas.
"Mūsu aprēķini parāda, kā robeža var izraisīt skābekļa izdalīšanos augstā spiedienā, kas var samazināt veiktspēju," sacīja Čans.
Robežas likvidēšana novērš skābekļa izdalīšanos, tādējādi uzlabojot katoda drošību un ciklisko stabilitāti. Skābekļa izdalīšanās mērījumi ar APS un modernu gaismas avotu ASV Enerģētikas departamenta Lorensa Bērklija Nacionālajā laboratorijā apstiprina šo secinājumu.
"Tagad mums ir vadlīnijas, ko akumulatoru ražotāji var izmantot, lai izgatavotu katoda materiālus, kuriem nav robežu un kas darbojas augstā spiedienā," sacīja Khalil Amin, Argonne emeritētais biedrs. 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。”“Vadlīnijām jāattiecas uz katoda materiāliem, kas nav NMC.”
Raksts par šo pētījumu parādījās žurnālā Nature Energy. Papildus Sju, Aminam, Liu un Čanam Argonnes autori ir Sjans Liu, Venkata Surja Čaitanja Kolluru, Čeņ Džao, Sjiņvei Džou, Juzi Liu, Lian Jin, Amins Daāli, Jaņ Rens, Veņcjaņsju , Džundzjins Dens, Inhui Hvansu, Djuņs, Taņs, Taņs. Chen. Zinātnieki no Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas (Wanli Yang, Qingtian Li un Zengqing Zhuo), Sjameņas universitātes (Jing-Jing Fan, Ling Huang un Shi-Gang Sun) un Tsinghua universitātes (Dongsheng Ren, Xuning Feng un Mingao Ouyang).
Par Argonnas Nanomateriālu centru Nanomateriālu centrs, viens no pieciem ASV Enerģētikas departamenta nanotehnoloģiju pētniecības centriem, ir galvenā nacionālā lietotāju iestāde starpdisciplināriem nanoskalas pētījumiem, ko atbalsta ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs. Kopā NSRC veido savstarpēji papildinošu iekārtu komplektu, kas nodrošina pētniekiem modernākās iespējas nanoskalas materiālu izgatavošanai, apstrādei, raksturošanai un modelēšanai, un tas ir lielākais infrastruktūras ieguldījums Nacionālās nanotehnoloģiju iniciatīvas ietvaros. NSRC atrodas ASV Enerģētikas departamenta Nacionālajās laboratorijās Argonā, Brukheivenā, Lorensā Bērklijā, Oukridžā, Sandijā un Los Alamosā. Lai iegūtu plašāku informāciju par NSRC DOE, apmeklējiet vietni https://​science​.osti​.gov/​U​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
ASV Enerģētikas departamenta Uzlabotais fotonu avots (APS) Argonnas Nacionālajā laboratorijā ir viens no produktīvākajiem rentgena staru avotiem pasaulē. APS nodrošina augstas intensitātes rentgena starus daudzveidīgai pētniecības kopienai materiālzinātnē, ķīmijā, kondensēto vielu fizikā, dzīvības un vides zinātnēs un lietišķajos pētījumos. Šie rentgenstari ir ideāli piemēroti materiālu un bioloģisko struktūru, elementu sadalījuma, ķīmisko, magnētisko un elektronisko stāvokļu, kā arī visu veidu tehniski svarīgu inženiertehnisko sistēmu, sākot no baterijām līdz degvielas iesmidzinātāju sprauslām, izpētei, kas ir vitāli svarīgas mūsu valsts ekonomikai, tehnoloģijām un ķermenim. Veselības pamats. Katru gadu vairāk nekā 5000 pētnieku izmanto APS, lai publicētu vairāk nekā 2000 publikāciju, kurās sīki aprakstīti svarīgi atklājumi un atrisinātas svarīgākas bioloģisko olbaltumvielu struktūras nekā jebkura cita rentgena pētījumu centra lietotāji. APS zinātnieki un inženieri ievieš inovatīvas tehnoloģijas, kas ir pamats paātrinātāju un gaismas avotu veiktspējas uzlabošanai. Tas ietver ievades ierīces, kas rada ārkārtīgi spilgtus rentgenstarus, ko augstu vērtē pētnieki, lēcas, kas fokusē rentgenstarus līdz dažiem nanometriem, instrumentus, kas maksimāli palielina rentgenstaru mijiedarbību ar pētāmo paraugu, kā arī APS atklājumu vākšanu un pārvaldību. Pētījumi rada milzīgus datu apjomus.
Šajā pētījumā tika izmantoti resursi no Advanced Photon Source, ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja lietotāju centra, ko pārvalda Argonne National Laboratory ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojam saskaņā ar līguma numuru DE-AC02-06CH11357.
Argonne Nacionālā laboratorija cenšas risināt aktuālākās vietējās zinātnes un tehnoloģiju problēmas. Kā pirmā nacionālā laboratorija Amerikas Savienotajās Valstīs, Argonne veic progresīvus fundamentālos un lietišķos pētījumus praktiski visās zinātnes disciplīnās. Argonne pētnieki cieši sadarbojas ar pētniekiem no simtiem uzņēmumu, universitāšu un federālajām, štatu un pašvaldību aģentūrām, lai palīdzētu viņiem risināt konkrētas problēmas, veicināt ASV zinātnisko līderību un sagatavot valsti labākai nākotnei. Argonne nodarbina darbiniekus no vairāk nekā 60 valstīm, un to pārvalda ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja UChicago Argonne, LLC.
ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs ir lielākais fundamentālo pētījumu atbalstītājs fizikas zinātnēs valstī, strādājot, lai risinātu dažus no mūsdienu aktuālākajiem jautājumiem. Lai iegūtu plašāku informāciju, apmeklējiet vietni https://​energy​.gov​science​ience.