ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Argonnes Nacionālās laboratorijas pētniekiem ir ilga novatorisku atklājumu vēsture litija jonu akumulatoru jomā. Daudzi no šiem rezultātiem attiecas uz akumulatora katodu, ko sauc par NMC, niķeļa mangānu un kobalta oksīdu. Akumulators ar šo katodu tagad darbina Chevrolet Bolt.
Argonne pētnieki ir sasnieguši vēl vienu izrāvienu NMC katodos. Komandas jaunā niecīgā katoda daļiņu struktūra varētu padarīt akumulatoru izturīgāku un drošāku, spējīgu darboties ar ļoti augstu spriegumu un nodrošināt garākus ceļojuma diapazonus.
"Tagad mums ir norādījumi, ko akumulatoru ražotāji var izmantot, lai izgatavotu augstspiediena, bezmalu katoda materiālus," Khalil Amin, Argonne emeritus.
"Esošie NMC katodi rada lielu šķērsli augstsprieguma darbam," sacīja ķīmiķa palīgs Guiliang Xu. Izmantojot uzlādes-izlādes ciklu, veiktspēja strauji samazinās, jo katoda daļiņās veidojas plaisas. Gadu desmitiem akumulatoru pētnieki ir meklējuši veidus, kā novērst šīs plaisas.
Viena metode pagātnē izmantoja sīkas sfēriskas daļiņas, kas sastāvēja no daudzām daudz mazākām daļiņām. Lielas sfēriskas daļiņas ir polikristāliskas, ar dažādu orientāciju kristāliskajiem domēniem. Rezultātā tiem ir tas, ko zinātnieki sauc par graudu robežām starp daļiņām, kas var izraisīt akumulatora plaisu cikla laikā. Lai to novērstu, Xu un Argonne kolēģi iepriekš bija izstrādājuši aizsargājošu polimēru pārklājumu ap katru daļiņu. Šis pārklājums ieskauj lielas sfēriskas daļiņas un tajās esošās mazākas daļiņas.
Vēl viens veids, kā izvairīties no šāda veida plaisāšanas, ir monokristālu daļiņu izmantošana. Šo daļiņu elektronu mikroskopija parādīja, ka tām nav robežu.
Komandas problēma bija tā, ka katodi, kas izgatavoti no pārklātiem polikristāliem un monokristāliem, joprojām saplaisāja riteņbraukšanas laikā. Tāpēc viņi veica plašu šo katoda materiālu analīzi Uzlabotajā fotonu avotā (APS) un Nanomateriālu centrā (CNM) ASV Enerģētikas departamenta Argonnas zinātnes centrā.
Piecām APS rokām tika veiktas dažādas rentgena analīzes (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C un 34-ID-E). Izrādās, ka tam, ko zinātnieki uzskatīja par monokristālu, kā liecina elektronu un rentgena mikroskopija, patiesībā bija robeža. CNM skenēšanas un pārraides elektronu mikroskopija apstiprināja šo secinājumu.
"Kad mēs skatījāmies uz šo daļiņu virsmas morfoloģiju, tās izskatījās kā atsevišķi kristāli," sacīja fiziķis Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射滊朮镜的技木微镜的技步加速器X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 微 镜 的 抾 微 镜 的们 发现 边界 隐藏 在。”"Tomēr, kad mēs izmantojām tehniku, ko sauc par sinhrotronu rentgenstaru difrakcijas mikroskopiju, un citas metodes APS, mēs atklājām, ka robežas bija paslēptas iekšpusē."
Svarīgi, ka komanda ir izstrādājusi metodi monokristālu ražošanai bez robežām. Mazo elementu testēšana ar šo viena kristāla katodu ļoti augstā spriegumā parādīja enerģijas uzkrāšanas pieaugumu par 25% uz tilpuma vienību, praktiski nezaudējot veiktspēju 100 testa ciklos. Turpretim NMC katodiem, kas sastāv no vairāku interfeisu monokristāliem vai pārklātiem polikristāliem, tajā pašā kalpošanas laikā bija jaudas samazināšanās par 60% līdz 88%.
Atomu mēroga aprēķini atklāj katoda kapacitātes samazināšanas mehānismu. Saskaņā ar CNM nanozinātnieces Maria Chang teikto, robežas, visticamāk, zaudēs skābekļa atomus, kad akumulators ir uzlādēts, nekā teritorijas, kas atrodas tālāk no tām. Šis skābekļa zudums izraisa šūnu cikla degradāciju.
"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 evolūcijas 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 kuri darbojas augstā spiedienā," sacīja Khalil Amin, Argonne emeritus. 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。”"Vadlīnijas būtu jāpiemēro 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, Veņcjaņs Sju, Džundzjins Dens, Inhui Hvangs, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du un Zonghai 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 institūcija starpdisciplināriem nanomēroga pētījumiem, ko atbalsta ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs. Kopā NSRC veido papildu iekārtu komplektu, kas nodrošina pētniekiem vismodernākās iespējas nanomēroga materiālu izgatavošanai, apstrādei, raksturošanai un modelēšanai un ir lielākās infrastruktūras investīcijas Nacionālās nanotehnoloģiju iniciatīvas ietvaros. NSRC atrodas ASV Enerģētikas departamenta Nacionālajās laboratorijās Argonnē, Brukhavenā, Lorensā Bērklijā, Oak Ridžā, Sandijā un Los Alamosā. Lai iegūtu papildinformāciju par NSRC DOE, apmeklējiet vietni https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/Us er​-​Fac​i​it​ie​ie​s​​​​​​​​​​​
ASV Enerģētikas departamenta uzlabotais fotonu avots (APS) Argonnes Nacionālajā laboratorijā ir viens no produktīvākajiem rentgenstaru avotiem pasaulē. APS nodrošina augstas intensitātes rentgenstarus daudzveidīgai pētnieku kopienai materiālzinātnē, ķīmijā, kondensēto vielu fizikā, dzīvības un vides zinātnēs un lietišķajos pētījumos. Šie rentgenstari ir ideāli piemēroti, lai pētītu materiālus un bioloģiskās struktūras, elementu sadalījumu, ķīmiskos, magnētiskos un elektroniskos stāvokļus un visu veidu tehniski svarīgas inženiertehniskās sistēmas, sākot no akumulatoriem un beidzot ar degvielas iesmidzināšanas sprauslām, kas ir vitāli svarīgas mūsu tautsaimniecībai, tehnoloģijām. . un ķermenis Veselības pamats. Katru gadu vairāk nekā 5000 pētnieku izmanto APS, lai publicētu vairāk nekā 2000 publikāciju, kurās sīki izklāstīti 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 rentgena starus, ko novērtējuši pētnieki, lēcas, kas fokusē rentgena starus līdz dažiem nanometriem, instrumentus, kas maksimāli palielina rentgenstaru mijiedarbību ar pētāmo paraugu, un APS atklājumu vākšanu un pārvaldību. Pētījumi ģenerē milzīgus datu apjomus.
Šajā pētījumā tika izmantoti resursi no Advanced Photon Source, ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja lietotāju centra, ko pārvalda Argonnes Nacionālā laboratorija ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojam ar līguma numuru DE-AC02-06CH11357.
Argonnes Nacionālā laboratorija cenšas atrisināt aktuālās vietējās zinātnes un tehnoloģiju problēmas. Kā pirmā nacionālā laboratorija Amerikas Savienotajās Valstīs, Argonne veic visprogresīvākos fundamentālos un lietišķos pētījumus praktiski visās zinātnes disciplīnās. Argonnes pētnieki cieši sadarbojas ar pētniekiem no simtiem uzņēmumu, universitāšu un federālo, valsts un pašvaldību aģentūru, lai palīdzētu viņiem atrisināt konkrētas problēmas, veicināt ASV zinātnisko vadību un sagatavot valsti labākai nākotnei. Uzņēmums Argonne nodarbina darbiniekus no vairāk nekā 60 valstīm, un to pārvalda UChicago Argonne, ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja LLC.
ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs ir valsts lielākais fizikālo zinātņu fundamentālo pētījumu atbalstītājs, kas strādā, lai risinātu dažus no mūsu laika aktuālākajiem jautājumiem. Lai iegūtu papildinformāciju, apmeklējiet vietni https://​energy​.gov/​science​ience.