Pētniekiem ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Argonne Nacionālajā laboratorijā ir sena vēsture, kas saistīti ar novatoriskiem atklājumiem litija jonu bateriju jomā. Daudzi no šiem rezultātiem ir paredzēti akumulatora katodam, ko sauc par NMC, niķeļa mangānu un kobalta oksīdu. Akumulators ar šo katodu tagad darbina Chevrolet skrūvi.
Argonne pētnieki ir sasnieguši vēl vienu izrāvienu NMC katodos. Komandas jaunā niecīgā katoda daļiņu struktūra varētu padarīt akumulatoru izturīgāku un drošāku, spējot darboties ar ļoti lielu spriegumu un nodrošināt ilgākus ceļojuma diapazonus.
“Mums tagad ir norādījumi, ka akumulatoru ražotāji var izmantot, lai izgatavotu augsta spiediena, bez robežas katoda materiālus,” Khalil Amin, Argonne kolēģis emeritus.
"Esošie NMC katodi rada lielu šķērsli augstsprieguma darbam," sacīja ķīmiķa asistents Guiliangs Xu. Ar lādiņa izlādes riteņbraukšanu veiktspēja strauji samazinās, pateicoties plaisu veidošanai katoda daļiņās. Gadu desmitiem akumulatoru pētnieki ir meklējuši veidus, kā labot šīs plaisas.
Viena metode pagātnē izmantoja sīkas sfēriskas daļiņas, kas sastāv no daudzām daudz mazākām daļiņām. Lielas sfēriskas daļiņas ir polikristāliskas, ar dažādu orientāciju kristāliskajiem domēniem. Rezultātā viņiem ir tas, ko zinātnieki sauc par graudu robežām starp daļiņām, kas var izraisīt akumulatora plaisāšanu 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 mazākas daļiņas tajās.
Vēl viens veids, kā izvairīties no šāda veida plaisāšanas, ir izmantot viena kristāla daļiņas. Šo daļiņu elektronu mikroskopija parādīja, ka tām nav robežu.
Komandas problēma bija tā, ka katodi, kas izgatavoti no pārklātiem polikristāliem un atsevišķiem kristāliem, riteņbraukšanas laikā joprojām bija saplaisājuši. Tāpēc viņi veica plašu šo katoda materiālu analīzi Advanced Photon Source (APS) un Nanomateriālu centrā (CNM) ASV Enerģētikas departamenta Argonnes zinātnes centrā.
Piecās APS ieročos tika veiktas dažādas rentgena analīzes (11 BM, 20 BM, 2-ID-D, 11-ID-C un 34-ID-E). Izrādās, ka tas, ko zinātnieki uzskatīja par vienu kristālu, kā parādīja elektronu un rentgenstaru mikroskopija, iekšpusē faktiski bija robeža. CNM skenēšanas un transmisijas elektronu mikroskopija apstiprināja šo secinājumu.
"Kad mēs apskatījām šo daļiņu virsmas morfoloģiju, tie izskatījās kā atsevišķi kristāli," sacīja fiziķis Venjuns 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 加速器 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们 边界 边界 隐藏”"Tomēr, kad mēs izmantojām paņēmienu ar nosaukumu Synchrotron rentgenstaru difrakcijas mikroskopija un citas metodes APS, mēs noskaidrojām, ka robežas ir paslēptas iekšpusē."
Svarīgi ir tas, ka komanda ir izstrādājusi metodi, kā iegūt atsevišķus kristālus bez robežām. Nelielu šūnu pārbaude ar šo viena kristāla katoda ar ļoti augstu spriegumu parādīja enerģijas uzkrāšanas palielināšanos par 25% uz tilpuma vienību, praktiski zaudējot veiktspēju virs 100 testa cikliem. Turpretī NMC katodi, kas sastāv no vairākiem saskares vieniem kristāliem vai pārklātu polikristāliem, tajā pašā dzīves laikā uzrādīja jaudas kritumu no 60% līdz 88%.
Atomu skalas aprēķini atklāj katoda kapacitātes samazināšanas mehānismu. Saskaņā ar Maria Chang teikto, CNM nanozinātniece, robežas, visticamāk, zaudē skābekļa atomus, kad akumulators tiek uzlādēts, nevis apgabali tālāk no tiem. Šis skābekļa zudums noved pie šūnu cikla sadalīšanās.
"Mūsu aprēķini parāda, kā robeža var izraisīt skābekļa izdalīšanos pie augsta spiediena, kas var samazināt veiktspēju," sacīja Čans.
Robežas novēršana novērš skābekļa attīstību, tādējādi uzlabojot katoda drošību un ciklisko stabilitāti. Skābekļa evolūcijas mērījumi ar APS un uzlabotu gaismas avotu ASV Enerģētikas departamenta Lawrence Berkeley Nacionālajā laboratorijā apstiprina šo secinājumu.
"Tagad mums ir vadlīnijas, kuras akumulatoru ražotāji var izmantot, lai izgatavotu katoda materiālus, kuriem nav robežu, un darboties ar augstu spiedienu," sacīja Khalil Amin, Emeritus Argonne kolēģis. 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。”"Pamatnostādnēm jāpiemēro katoda materiāli, kas nav NMC."
Raksts par šo pētījumu parādījās žurnālā Nature Energy. Papildus Xu, Amin, Liu un Chang, Argonne autori ir Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Dogen, inhui hwang, Chengjun Sun, Tao, Tao, Tao Zhou, Tao Zhou, Tao Zhou, Tao Zhou, Tahou, Min Du. Zonghai Chen. Zinātnieki no Lawrence Berkeley Nacionālās laboratorijas (Wanli Yang, Qingtian Li un Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang un Shi-Gang Sun) un Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng un Mingao Ouyang).
Par Argonnas nanomateriālu centru Nanomateriālu centrs, kas ir viens no pieciem ASV Enerģētikas departamenta nanotehnoloģiju pētījumu centru, ir galvenā nacionālā lietotāju institūcija starpnozaru nanoskalā pētījumiem, ko atbalsta ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja birojs. Kopā NSRC veido papildinošu iespēju komplektu, kas pētniekiem nodrošina vismodernākās iespējas, lai izgatavotu, apstrādātu, raksturotu un modelētu nanomēroga materiālus un pārstāvētu lielāko infrastruktūras ieguldījumu saskaņā ar nacionālo nanotehnoloģiju iniciatīvu. NSRC atrodas ASV Enerģētikas nacionālo laboratoriju departamentā Argonnā, Brukhavenā, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia un Los Alamos. Lai iegūtu papildinformāciju par NSRC DOE, apmeklējiet vietni https: // science .osti .gov/us er-f a c i Ie ie s/us er-f a c i l it, ti, s-pie -a skatiena.
ASV Enerģētikas departamenta uzlabotais fotonu avots (APS) Argonne Nacionālajā laboratorijā ir viens no produktīvākajiem rentgenstaru avotiem pasaulē. APS nodrošina augstas intensitātes rentgena starus daudzveidīgai pētniecības kopienai materiālu zinātnē, ķīmijā, kondensētās vielas fizikā, dzīves un vides zinātnēs, kā arī lietišķajos pētījumos. Šie rentgena stari ir ideāli piemēroti materiālu un bioloģisko struktūru izpētei, elementu, ķīmisko, magnētisko un elektronisko stāvokļu un tehniski svarīgo inženiertehnisko sistēmu sadalījumam, sākot no baterijām un beidzot ar degvielas iesmidzināšanas sprauslām, kas ir vitāli svarīgas mūsu valsts ekonomikai-tehnoloģijai. un ķermenis ir veselības pamats. Katru gadu vairāk nekā 5000 pētnieku izmanto AP, lai publicētu vairāk nekā 2000 publikācijas, kurās sīki aprakstīti svarīgi atklājumi un svarīgāku bioloģisko olbaltumvielu struktūru risināšana nekā jebkura cita rentgena pētījumu centra lietotāji. APS zinātnieki un inženieri ievieš novatoriskas tehnoloģijas, kas ir pamats akseleratoru un gaismas avotu veiktspējas uzlabošanai. Tas ietver ievades ierīces, kas rada ārkārtīgi spilgtus rentgena starus, kurus novērtē pētnieki, objektīvi, kas koncentrē rentgena starus līdz dažiem nanometriem, instrumenti, kas palielina veidu, kā rentgena mijiedarbība mijiedarbojas ar pētāmo paraugu, un APS atklājumu vākšana un pārvaldība. Pētījumi rada milzīgus datu apjomus.
Šajā pētījumā tika izmantoti resursi no Advanced Photon Source-ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes departamenta lietotāju centra, kuru vada Argonne Nacionālā laboratorija ASV Enerģētikas departamenta birojam ar līguma numuru DE-AC02-06CH11357.
Argonnas nacionālā laboratorija cenšas atrisināt vietējās zinātnes un tehnoloģijas aktuālās problēmas. Kā pirmā nacionālā laboratorija Amerikas Savienotajās Valstīs, Argonne veic progresīvas un lietišķas pētījumus praktiski katrā zinātniskajā disciplīnā. Argonne pētnieki cieši sadarbojas ar simtiem uzņēmumu, universitāšu un federālo, štatu un pašvaldību aģentūru pētniekiem, lai palīdzētu viņiem atrisināt īpašas problēmas, virzīt ASV zinātnisko vadību un sagatavot tautu labākai nākotnei. Argonne nodarbina darbiniekus no vairāk nekā 60 valstīm, un to pārvalda Uchicago Argonne, LLC no ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja.
ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs ir valsts lielākais pamatpētījumu atbalstītājs fiziskajās zinātnēs, strādājot, lai risinātu dažus no mūsu laika aktuālākajiem jautājumiem. Lai iegūtu papildinformāciju, apmeklējiet vietni https: // Energy .gov/Science Ience.