Penyelidik di Makmal Kebangsaan Argonne Jabatan Tenaga AS (JAS) mempunyai sejarah panjang dalam penemuan perintis dalam bidang bateri litium-ion. Kebanyakan keputusan ini adalah untuk katod bateri, dipanggil NMC, mangan nikel dan kobalt oksida. Bateri dengan katod ini kini menggerakkan Chevrolet Bolt.
Penyelidik Argonne telah mencapai satu lagi kejayaan dalam katod NMC. Struktur zarah katod kecil baharu pasukan boleh menjadikan bateri lebih tahan lama dan lebih selamat, mampu beroperasi pada voltan yang sangat tinggi dan menyediakan jarak perjalanan yang lebih panjang.
"Kami kini mempunyai panduan yang boleh digunakan oleh pengeluar bateri untuk membuat bahan katod tanpa sempadan bertekanan tinggi," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Katod NMC sedia ada memberikan halangan utama untuk kerja voltan tinggi," kata penolong ahli kimia Guiliang Xu. Dengan kitaran cas-nyahcas, prestasi menurun dengan cepat disebabkan oleh pembentukan retakan dalam zarah katod. Selama beberapa dekad, penyelidik bateri telah mencari cara untuk membaiki keretakan ini.
Satu kaedah pada masa lalu menggunakan zarah sfera kecil yang terdiri daripada banyak zarah yang lebih kecil. Zarah sfera besar adalah polihablur, dengan domain kristal pelbagai orientasi. Akibatnya, mereka mempunyai apa yang dipanggil oleh saintis sebagai sempadan bijian antara zarah, yang boleh menyebabkan bateri retak semasa kitaran. Untuk mengelakkan ini, Xu dan rakan sekerja Argonne sebelum ini telah membangunkan salutan polimer pelindung di sekeliling setiap zarah. Salutan ini mengelilingi zarah sfera yang besar dan zarah yang lebih kecil di dalamnya.
Satu lagi cara untuk mengelakkan keretakan jenis ini adalah dengan menggunakan zarah kristal tunggal. Mikroskopi elektron bagi zarah-zarah ini menunjukkan bahawa ia tidak mempunyai sempadan.
Masalah bagi pasukan itu ialah katod yang diperbuat daripada polihablur bersalut dan kristal tunggal masih retak semasa berbasikal. Oleh itu, mereka menjalankan analisis meluas bahan katod ini di Advanced Photon Source (APS) dan Centre for Nanomaterials (CNM) di Pusat Sains Argonne Jabatan Tenaga AS.
Pelbagai analisis x-ray telah dilakukan pada lima lengan APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C dan 34-ID-E). Ternyata apa yang difikirkan oleh saintis adalah kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh mikroskop elektron dan sinar-X, sebenarnya mempunyai sempadan di dalamnya. Pengimbasan dan penghantaran mikroskop elektron CNM mengesahkan kesimpulan ini.
"Apabila kita melihat morfologi permukaan 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 射线衍射显使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜的技术和我我们他界隐藏在内部。” 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 ，现 边界 隐藏 在。”"Bagaimanapun, apabila kami menggunakan teknik yang dipanggil mikroskop difraksi sinar-X synchrotron dan teknik lain di APS, kami mendapati bahawa sempadan tersembunyi di dalam."
Yang penting, pasukan itu 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 storan tenaga per unit volum dengan hampir tiada kehilangan prestasi melebihi 100 kitaran ujian. Sebaliknya, katod NMC yang terdiri daripada kristal tunggal berbilang antara muka atau polihablur bersalut menunjukkan penurunan kapasiti 60% hingga 88% sepanjang hayat yang sama.
Pengiraan skala atom mendedahkan mekanisme pengurangan kapasiti katod. Menurut Maria Chang, seorang saintis nano di CNM, sempadan lebih berkemungkinan kehilangan atom oksigen apabila bateri dicas daripada kawasan yang lebih jauh daripadanya. Kehilangan oksigen ini membawa kepada kemerosotan kitaran sel.
"Pengiraan kami menunjukkan bagaimana sempadan boleh menyebabkan oksigen dibebaskan pada tekanan tinggi, yang boleh menyebabkan prestasi berkurangan," kata Chan.
Menghapuskan sempadan menghalang evolusi oksigen, dengan itu 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 kami 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, 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. 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 Du dan Zonghai Chen. 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 Argonne untuk Bahan Nano Pusat untuk Bahan Nano, salah satu daripada lima pusat penyelidikan nanoteknologi Jabatan Tenaga AS, ialah institusi pengguna utama negara 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 terkini untuk fabrikasi, pemprosesan, pencirian dan pemodelan bahan berskala 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 mengenai NSRC DOE, lawati https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ia s/kami er-​F​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​
Sumber Foton Lanjutan (APS) Jabatan Tenaga AS di Argonne National Laboratory ialah 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 pekat, sains hayat dan alam sekitar serta penyelidikan gunaan. X-ray ini sesuai untuk mengkaji bahan dan struktur biologi, pengedaran unsur, keadaan kimia, magnet dan elektronik, dan semua jenis sistem kejuruteraan penting dari segi teknikal, daripada bateri hingga muncung penyuntik bahan api, yang penting untuk ekonomi negara kita, teknologi. . dan badan 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 daripada pengguna mana-mana pusat penyelidikan sinar-X lain. Para 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 hingga beberapa nanometer, instrumen yang memaksimumkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang dikaji dan pengumpulan dan pengurusan penemuan APS Penyelidikan menjana volum data yang besar.
Kajian ini menggunakan sumber daripada Advanced Photon Source, 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 termaju dalam hampir setiap disiplin saintifik. Penyelidik Argonne bekerjasama rapat dengan penyelidik daripada 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 negara dan dikendalikan oleh UChicago Argonne, LLC dari Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS.
Pejabat Sains Jabatan Tenaga AS ialah penyokong terbesar penyelidikan asas dalam sains fizikal negara, berusaha untuk menangani beberapa isu paling mendesak pada zaman kita. Untuk maklumat lanjut, lawati https://energy.gov/science.ience.