Penyelidik di Makmal Kebangsaan Argonne Jabatan Tenaga (DOE) mempunyai sejarah panjang penemuan perintis dalam bidang bateri lithium-ion. Kebanyakan keputusan ini adalah untuk katod bateri, yang dipanggil NMC, mangan nikel dan kobalt oksida. Bateri dengan katod ini kini menguasai bolt Chevrolet.
Penyelidik Argonne telah mencapai satu lagi kejayaan dalam katod NMC. Struktur zarah katod kecil yang baru dapat menjadikan bateri lebih tahan lama dan lebih selamat, dapat beroperasi pada voltan yang sangat tinggi dan menyediakan julat perjalanan yang lebih lama.
"Kami kini mempunyai bimbingan yang boleh digunakan oleh pengeluar bateri untuk membuat tekanan tinggi, bahan katod tanpa sempadan," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Katod NMC yang ada mempersembahkan halangan utama untuk kerja voltan tinggi," kata Penolong Ahli Kimia Guiliang Xu. Dengan berbasikal pelepasan caj, prestasi jatuh dengan cepat disebabkan oleh pembentukan retak dalam zarah katod. Selama beberapa dekad, penyelidik bateri telah mencari cara untuk membaiki retak ini.
Satu kaedah pada masa lalu menggunakan zarah sfera kecil yang terdiri daripada banyak zarah yang lebih kecil. Zarah sfera besar adalah polikristalin, dengan domain kristal pelbagai orientasi. Akibatnya, mereka mempunyai saintis yang memanggil sempadan bijian antara zarah, yang boleh menyebabkan bateri retak semasa kitaran. Untuk mengelakkan ini, rakan -rakan Xu dan Argonne sebelum ini telah membangunkan salutan polimer pelindung di sekitar setiap zarah. Lapisan ini mengelilingi zarah sfera besar dan zarah yang lebih kecil di dalamnya.
Satu lagi cara untuk mengelakkan retak semacam ini adalah menggunakan zarah kristal tunggal. Mikroskopi elektron zarah -zarah ini menunjukkan bahawa mereka tidak mempunyai sempadan.
Masalah untuk pasukan adalah bahawa katod yang diperbuat daripada polikristal bersalut dan kristal tunggal masih retak semasa berbasikal. Oleh itu, mereka menjalankan analisis luas bahan -bahan katod ini di sumber foton lanjutan (APS) dan Pusat Nanomaterials (CNM) di Pusat Sains Argonne Jabatan Tenaga AS.
Pelbagai analisis sinar-X dilakukan pada lima APS Arms (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C dan 34-ID-E). Ternyata apa yang dikatakan saintis adalah kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh mikroskopi elektron dan sinar-X, sebenarnya mempunyai sempadan di dalamnya. Mikroskopi pengimbasan dan penghantaran CNMS mengesahkan kesimpulan ini.
"Apabila kita melihat morfologi permukaan zarah -zarah ini, mereka 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 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时, 我们 发现 边界 边界 在。 在。""Bagaimanapun, apabila kami menggunakan teknik yang dipanggil mikroskopi difraksi sinar-X Synchrotron dan teknik lain di APS, kami mendapati bahawa sempadan tersembunyi di dalamnya."
Yang penting, pasukan telah membangunkan kaedah untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa sempadan. Menguji sel-sel kecil dengan katod kristal tunggal ini pada voltan yang sangat tinggi menunjukkan peningkatan 25% dalam penyimpanan tenaga per unit dengan hampir tiada kehilangan prestasi lebih daripada 100 kitaran ujian. Sebaliknya, katod NMC yang terdiri daripada kristal tunggal multi-antara muka atau polikristal bersalut menunjukkan kejatuhan kapasiti sebanyak 60% hingga 88% sepanjang hayat yang sama.
Pengiraan skala atom mendedahkan mekanisme pengurangan kapasitans katod. Menurut Maria Chang, seorang nanoscientist di CNM, sempadan lebih cenderung kehilangan atom oksigen apabila bateri dikenakan daripada kawasan jauh dari mereka. Kehilangan oksigen ini membawa kepada kemerosotan kitaran sel.
"Pengiraan kami menunjukkan bagaimana sempadan boleh membawa kepada oksigen yang dikeluarkan pada tekanan tinggi, yang boleh menyebabkan prestasi yang dikurangkan," kata Chan.
Menghapuskan sempadan menghalang evolusi oksigen, dengan itu meningkatkan kestabilan keselamatan dan kitaran katod. Pengukuran evolusi oksigen dengan APS dan sumber cahaya canggih di Laboratorium Nasional Lawrence Jabatan Tenaga AS mengesahkan kesimpulan ini.
"Sekarang kami mempunyai garis panduan bahawa pengeluar bateri boleh digunakan untuk membuat bahan katod yang tidak mempunyai sempadan dan beroperasi pada tekanan tinggi," kata Khalil Amin, argonne Fellow 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。""Garis panduan harus digunakan untuk bahan katod selain NMC."
Satu artikel mengenai kajian ini muncul dalam jurnal Nature Energy. Di samping Xu, Amin, Liu dan Chang, penulis Argonne adalah Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Janjing Hun, Janjing, Janjing, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Janjing Deng, Du, dan Zonghai Chen. Para saintis dari Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, dan Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang dan Shi-Gang Sun) dan Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng dan Mingao Ouyang).
Mengenai Pusat Nanomaterials Argonne Pusat Nanomaterials, salah satu daripada lima pusat penyelidikan Nanoteknologi Jabatan Tenaga AS, adalah Institusi Pengguna Kebangsaan Premier untuk Penyelidikan Nanoscale Interdisipliner yang disokong oleh Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS. Bersama-sama, NSRC membentuk satu suite kemudahan pelengkap yang menyediakan penyelidik dengan keupayaan terkini untuk membuat bahan nanoscale, dan mewakili pelaburan infrastruktur terbesar di bawah Inisiatif Nanoteknologi Kebangsaan. NSRC terletak di Laboratorium Nasional Jabatan Tenaga AS di Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, dan Los Alamos. Untuk maklumat lanjut mengenai nsrc doe, lawati https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit iaitu s/kami er-f a c i l ia iaitu s-pada-a silapan.
Sumber Foton Lanjutan Jabatan Tenaga AS (APS) di Makmal Kebangsaan Argonne adalah salah satu sumber sinar-X yang paling produktif di dunia. APS menyediakan x-ray intensiti tinggi kepada komuniti penyelidikan yang pelbagai dalam sains bahan, kimia, fizik bahan pekat, sains kehidupan dan alam sekitar, dan penyelidikan yang digunakan. X-ray ini sangat sesuai untuk mengkaji bahan dan struktur biologi, pengagihan unsur-unsur, keadaan kimia, magnetik dan elektronik, dan sistem kejuruteraan penting secara teknikal dari semua jenis, dari bateri hingga bahan api penyuntik, yang penting untuk ekonomi negara kita, teknologi. dan badan asas kesihatan. Setiap tahun, lebih daripada 5,000 penyelidik menggunakan AP untuk menerbitkan lebih daripada 2,000 penerbitan yang memperincikan penemuan penting dan menyelesaikan struktur protein biologi yang lebih penting daripada pengguna mana-mana pusat penyelidikan sinar-X yang lain. Para saintis dan jurutera APS melaksanakan teknologi inovatif yang menjadi asas untuk meningkatkan prestasi pemecut dan sumber cahaya. Ini termasuk peranti input yang menghasilkan x-ray yang sangat terang yang dihargai oleh penyelidik, kanta yang memfokuskan sinar-X ke beberapa nanometer, instrumen yang memaksimumkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang sedang dikaji, dan pengumpulan dan pengurusan penemuan APS penyelidikan menghasilkan jumlah data yang besar.
Kajian ini menggunakan sumber dari Advanced Photon Source, sebuah Pusat Pengguna Sains Jabatan Tenaga AS yang dikendalikan oleh Makmal Kebangsaan Argonne untuk Jabatan Sains Jabatan Tenaga AS di bawah Nombor Kontrak DE-AC02-06CH11357.
Makmal Kebangsaan Argonne berusaha menyelesaikan masalah sains dan teknologi domestik. Sebagai makmal kebangsaan pertama di Amerika Syarikat, Argonne menjalankan penyelidikan asas dan penggunaan yang canggih dalam hampir setiap disiplin saintifik. Penyelidik Argonne bekerjasama rapat dengan penyelidik dari beratus -ratus 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 menggunakan pekerja dari lebih daripada 60 buah negara dan dikendalikan oleh Uchicago Argonne, LLC dari Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS.
Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS adalah penyokong utama penyelidikan asas negara dalam sains fizikal, yang berusaha untuk menangani beberapa isu yang paling mendesak pada masa kita. Untuk maklumat lanjut, lawati https: // energy .gov/sains ience.