Penyelidik di Makmal Kebangsaan Argonne, Jabatan Tenaga AS (DOE) mempunyai sejarah panjang penemuan perintis dalam bidang bateri litium-ion. Kebanyakan hasil ini adalah untuk katod bateri, yang dipanggil NMC, nikel mangan dan kobalt oksida. Bateri dengan katod ini kini menguasakan Chevrolet Bolt.
Penyelidik Argonne telah mencapai satu lagi kejayaan dalam katod NMC. Struktur zarah katod kecil baharu pasukan itu boleh menjadikan bateri lebih tahan lama dan lebih selamat, mampu beroperasi pada voltan yang sangat tinggi dan menyediakan julat perjalanan yang lebih jauh.
"Kini kami mempunyai panduan yang boleh digunakan oleh pengeluar bateri untuk membuat bahan katod bertekanan tinggi dan tanpa sempadan," Khalil Amin, Felo Emeritus Argonne.
“Katod NMC sedia ada merupakan halangan utama untuk kerja voltan tinggi,” kata penolong ahli kimia Guiliang Xu. Dengan kitaran cas-nyahcas, prestasi menurun dengan cepat disebabkan oleh pembentukan retakan pada zarah katod. Selama beberapa dekad, penyelidik bateri telah mencari jalan untuk membaiki retakan ini.
Satu kaedah pada masa lalu menggunakan zarah sfera kecil yang terdiri daripada banyak zarah yang jauh lebih kecil. Zarah sfera besar adalah polikristalin, dengan domain kristal pelbagai orientasi. Akibatnya, ia mempunyai apa yang dipanggil saintis sebagai sempadan butiran antara zarah, yang boleh menyebabkan bateri retak semasa kitaran. Untuk mengelakkannya, rakan sekerja Xu dan Argonne sebelum ini telah membangunkan salutan polimer pelindung di sekeliling setiap zarah. Salutan ini mengelilingi zarah sfera besar dan zarah yang lebih kecil di dalamnya.
Satu lagi cara untuk mengelakkan keretakan seperti ini adalah dengan menggunakan zarah hablur tunggal. Mikroskopi elektron zarah-zarah ini menunjukkan bahawa ia tidak mempunyai sempadan.
Masalah bagi pasukan itu ialah katod yang diperbuat daripada polikristal bersalut dan kristal tunggal masih retak semasa kitaran. Oleh itu, mereka menjalankan analisis meluas terhadap bahan katod ini di Sumber Foton Termaju (APS) dan Pusat Bahan Nano (CNM) di Pusat Sains Argonne, Jabatan Tenaga AS.
Pelbagai analisis sinar-x telah dilakukan pada lima lengan APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C dan 34-ID-E). Ternyata apa yang disangkakan oleh saintis sebagai kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh mikroskop elektron dan sinar-X, sebenarnya mempunyai sempadan di dalamnya. Mikroskopi elektron pengimbasan dan penghantaran CNM mengesahkan kesimpulan ini.
"Apabila kami melihat morfologi permukaan zarah-zarah ini, ia kelihatan seperti kristal tunggal," kata ahli fizik 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 的 技术 和 ，发现 边界 隐藏 在。”"Walau bagaimanapun, apabila kami menggunakan teknik yang dipanggil mikroskopi pembelauan sinar-X synchrotron dan teknik lain di APS, kami mendapati bahawa sempadan tersembunyi di dalamnya."
Yang penting, pasukan ini telah membangunkan kaedah untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa sempadan. Pengujian sel kecil dengan katod kristal tunggal ini pada voltan yang sangat tinggi menunjukkan peningkatan 25% dalam penyimpanan tenaga per unit isipadu dengan hampir tiada kehilangan prestasi berbanding 100 kitaran ujian. Sebaliknya, katod NMC yang terdiri daripada kristal tunggal berbilang antara muka atau polikristal bersalut menunjukkan penurunan kapasiti sebanyak 60% hingga 88% sepanjang hayat yang sama.
Pengiraan skala atom mendedahkan mekanisme pengurangan kapasitans katod. Menurut Maria Chang, seorang ahli nanosains di CNM, sempadan lebih cenderung kehilangan atom oksigen apabila bateri dicas berbanding kawasan yang lebih jauh daripadanya. Kehilangan oksigen ini membawa kepada degradasi kitaran sel.
"Pengiraan kami menunjukkan bagaimana sempadan boleh menyebabkan oksigen dilepaskan pada tekanan tinggi, yang boleh menyebabkan prestasi berkurangan," kata Chan.
Menghapuskan sempadan menghalang evolusi oksigen, sekali gus meningkatkan keselamatan dan kestabilan kitaran katod. Pengukuran evolusi oksigen dengan APS dan sumber cahaya termaju di Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley, Jabatan Tenaga AS mengesahkan kesimpulan ini.
"Kini kita mempunyai garis panduan yang boleh digunakan oleh pengeluar bateri untuk membuat bahan katod yang tidak mempunyai sempadan dan beroperasi pada tekanan tinggi," kata Khalil Amin, Felo Emeritus Argonne. 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。”"Garis panduan harus terpakai kepada bahan katod selain NMC."
Satu artikel mengenai kajian ini muncul dalam jurnal Nature Energy. Selain Xu, Amin, Liu dan Chang, pengarang Argonne ialah 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 Chen Du, dan Zonghai Para saintis dari Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, dan Zengqing Zhuo), Universiti Xiamen (Jing-Jing Fan , Ling Huang dan Shi-Gang Sun) dan Universiti Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng dan Mingao Ouyang).
Mengenai Pusat Bahan Nano Argonne Pusat Bahan Nano, salah satu daripada lima pusat penyelidikan nanoteknologi Jabatan Tenaga AS, merupakan institusi pengguna kebangsaan utama untuk penyelidikan skala nano antara disiplin yang disokong oleh Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS. Bersama-sama, NSRC membentuk satu set kemudahan pelengkap yang menyediakan penyelidik dengan keupayaan canggih untuk fabrikasi, pemprosesan, pencirian dan pemodelan bahan skala nano dan mewakili pelaburan infrastruktur terbesar di bawah Inisiatif Nanoteknologi Kebangsaan. NSRC terletak di Makmal Kebangsaan Jabatan Tenaga AS di Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia dan Los Alamos. Untuk maklumat lanjut tentang DOE NSRC, lawati https://science.osti.gov/Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Sumber Foton Termaju (APS) Jabatan Tenaga AS di Makmal Kebangsaan Argonne merupakan salah satu sumber sinar-X yang paling produktif di dunia. APS menyediakan sinar-X berintensiti tinggi kepada komuniti penyelidikan yang pelbagai dalam sains bahan, kimia, fizik jirim terkondensasi, sains hayat dan alam sekitar, serta penyelidikan gunaan. Sinar-X ini sesuai untuk mengkaji bahan dan struktur biologi, taburan unsur, keadaan kimia, magnet dan elektronik, dan sistem kejuruteraan yang penting dari segi teknikal bagi semua jenis, daripada bateri hingga muncung penyuntik bahan api, yang penting kepada ekonomi negara, teknologi dan badan kita. Asas kesihatan. Setiap tahun, lebih daripada 5,000 penyelidik menggunakan APS untuk menerbitkan lebih daripada 2,000 penerbitan yang memperincikan penemuan penting dan menyelesaikan struktur protein biologi yang lebih penting berbanding pengguna mana-mana pusat penyelidikan sinar-X yang lain. Saintis dan jurutera APS sedang melaksanakan teknologi inovatif yang menjadi asas untuk meningkatkan prestasi pemecut dan sumber cahaya. Ini termasuk peranti input yang menghasilkan sinar-X yang sangat terang yang dihargai oleh penyelidik, kanta yang memfokuskan sinar-X sehingga beberapa nanometer, instrumen yang memaksimumkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang dikaji dan pengumpulan serta pengurusan penemuan APS. Penyelidikan menjana jumlah data yang besar.
Kajian ini menggunakan sumber daripada Advanced Photon Source, sebuah Pusat Pengguna Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS yang dikendalikan oleh Makmal Kebangsaan Argonne untuk Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS di bawah nombor kontrak DE-AC02-06CH11357.
Makmal Kebangsaan Argonne berusaha untuk menyelesaikan masalah mendesak sains dan teknologi domestik. Sebagai makmal kebangsaan pertama di Amerika Syarikat, Argonne menjalankan penyelidikan asas dan gunaan canggih dalam hampir setiap disiplin saintifik. Penyelidik Argonne bekerjasama rapat dengan penyelidik dari ratusan syarikat, universiti dan agensi persekutuan, negeri dan perbandaran untuk membantu mereka menyelesaikan masalah tertentu, memajukan kepimpinan saintifik AS dan menyediakan negara untuk masa depan yang lebih baik. Argonne menggaji pekerja dari lebih 60 buah negara dan dikendalikan oleh UChicago Argonne, LLC dari Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS.
Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS merupakan penyokong terbesar negara bagi penyelidikan asas dalam sains fizikal, yang berusaha untuk menangani beberapa isu paling mendesak pada zaman kita. Untuk maklumat lanjut, lawati https://energy.gov/scienceience.