Forskere ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrytende funn innen litium-ion-batterier. Mange av disse resultatene er for batterikatoden, kalt NMC, nikkelmangan og koboltoksid. Et batteri med denne katoden driver nå Chevrolet Bolt.
Argonne-forskere har oppnådd nok et gjennombrudd innen NMC-katoder. Teamets nye bittesmå katodepartikkelstruktur kan gjøre batteriet mer holdbart og tryggere, i stand til å operere ved svært høye spenninger og gi lengre reiseområder.
"Vi har nå veiledning som batteriprodusenter kan bruke til å lage høytrykks, kantløse katodematerialer," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Eksisterende NMC-katoder utgjør en stor hindring for høyspentarbeid," sa assisterende kjemiker Guiliang Xu. Med ladnings-utladningssyklus faller ytelsen raskt på grunn av dannelsen av sprekker i katodepartiklene. I flere tiår har batteriforskere lett etter måter å reparere disse sprekkene på.
En metode i det siste brukte bittesmå sfæriske partikler sammensatt av mange mye mindre partikler. Store sfæriske partikler er polykrystallinske, med krystallinske domener med forskjellige orienteringer. Som et resultat har de det forskerne kaller korngrenser mellom partikler, som kan føre til at batteriet sprekker i løpet av en syklus. For å forhindre dette hadde Xu og Argonnes kolleger tidligere utviklet et beskyttende polymerbelegg rundt hver partikkel. Dette belegget omgir store sfæriske partikler og mindre partikler i dem.
En annen måte å unngå denne typen sprekker på er å bruke enkeltkrystallpartikler. Elektronmikroskopi av disse partiklene viste at de ikke har noen grenser.
Problemet for teamet var at katoder laget av belagte polykrystaller og enkeltkrystaller fortsatt sprakk under sykling. Derfor utførte de omfattende analyser av disse katodematerialene ved Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) ved det amerikanske energidepartementets Argonne Science Center.
Ulike røntgenanalyser ble utført på fem APS-armer (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C og 34-ID-E). Det viser seg at det forskerne trodde var en enkelt krystall, som vist ved elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk hadde en grense på innsiden. Skanne- og transmisjonselektronmikroskopi av CNM-er bekreftet denne konklusjonen.
"Da vi så på overflatemorfologien til disse partiklene, så de ut som enkeltkrystaller," sa fysiker Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜皼倌朌朌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 旌微镜 皜 时 时们 发现 边界 隐藏 在。”"Men da vi brukte en teknikk kalt synkrotron røntgendiffraksjonsmikroskopi og andre teknikker ved APS, fant vi ut at grensene var skjult inni."
Det er viktig at teamet har utviklet en metode for å produsere enkeltkrystaller uten grenser. Testing av små celler med denne enkrystallkatoden ved svært høye spenninger viste en 25 % økning i energilagring per volumenhet med praktisk talt ingen tap i ytelse over 100 testsykluser. Derimot viste NMC-katoder sammensatt av multi-grensesnitt enkeltkrystaller eller belagte polykrystaller et kapasitetsfall på 60% til 88% over samme levetid.
Beregninger i atomskala avslører mekanismen for katodekapasitansreduksjon. Ifølge Maria Chang, en nanoforsker ved CNM, er det mer sannsynlig at grenser mister oksygenatomer når batteriet lades enn områder lenger unna dem. Dette tapet av oksygen fører til nedbrytning av cellesyklusen.
"Våre beregninger viser hvordan grensen kan føre til at oksygen frigjøres ved høyt trykk, noe som kan føre til redusert ytelse," sa Chan.
Eliminering av grensen forhindrer oksygenutvikling, og forbedrer dermed sikkerheten og den sykliske stabiliteten til katoden. Oksygenutviklingsmålinger med APS og en avansert lyskilde ved det amerikanske energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory bekrefter denne konklusjonen.
"Nå har vi retningslinjer som batteriprodusenter kan bruke for å lage katodematerialer som ikke har noen grenser og som opererer ved høyt trykk," sa 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。”"Retningslinjer bør gjelde for andre katodematerialer enn NMC."
En artikkel om denne studien dukket opp i tidsskriftet Nature Energy. I tillegg til Xu, Amin, Liu og Chang, er Argonne-forfatterne 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 og Zonghai Chen. Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li og Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang og Shi-Gang Sun) og Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng og Mingao Ouyang).
Om Argonne-senteret for nanomaterialer Senter for nanomaterialer, ett av fem forskningssentre for nanoteknologi i det amerikanske energidepartementet, er den fremste nasjonale brukerinstitusjonen for tverrfaglig forskning på nanoskala, støttet av det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor. Sammen danner NSRC-er en pakke med komplementære fasiliteter som gir forskere toppmoderne evner for fremstilling, prosessering, karakterisering og modellering av materialer i nanoskala og representerer den største infrastrukturinvesteringen under National Nanotechnology Initiative. NSRC er lokalisert ved US Department of Energy National Laboratories i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mer informasjon om NSRC DOE, besøk https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​ilit​​​​ie​s​/​Us ​er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​​​​​.
Det amerikanske energidepartementets avanserte fotonkilde (APS) ved Argonne National Laboratory er en av de mest produktive røntgenkildene i verden. APS gir høyintensitets røntgenstråler til et mangfoldig forskningsmiljø innen materialvitenskap, kjemi, kondensert materiefysikk, livs- og miljøvitenskap og anvendt forskning. Disse røntgenstrålene er ideelle for å studere materialer og biologiske strukturer, distribusjon av elementer, kjemiske, magnetiske og elektroniske tilstander, og teknisk viktige ingeniørsystemer av alle slag, fra batterier til drivstoffinjektordyser, som er avgjørende for vår nasjonale økonomi, teknologi. . og kropp Grunnlaget for helse. Hvert år bruker mer enn 5000 forskere APS til å publisere mer enn 2000 publikasjoner som beskriver viktige funn og løser viktigere biologiske proteinstrukturer enn brukere av noe annet røntgenforskningssenter. APS-forskere og ingeniører implementerer innovative teknologier som er grunnlaget for å forbedre ytelsen til akseleratorer og lyskilder. Dette inkluderer inndataenheter som produserer ekstremt skarpe røntgenstråler som er verdsatt av forskere, linser som fokuserer røntgenstråler ned til noen få nanometer, instrumenter som maksimerer måten røntgenstråler samhandler med prøven som studeres, og innsamling og håndtering av APS-funn. Forskning genererer enorme datamengder.
Denne studien brukte ressurser fra Advanced Photon Source, et US Department of Energy Office of Science User Center drevet av Argonne National Laboratory for US Department of Energy Office of Science under kontraktnummer DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory streber etter å løse de presserende problemene innen innenlandsk vitenskap og teknologi. Som det første nasjonale laboratoriet i USA, driver Argonne banebrytende grunnleggende og anvendt forskning innen praktisk talt alle vitenskapelige disipliner. Argonne-forskere jobber tett med forskere fra hundrevis av selskaper, universiteter og føderale, statlige og kommunale etater for å hjelpe dem med å løse spesifikke problemer, fremme amerikansk vitenskapelig ledelse og forberede nasjonen på en bedre fremtid. Argonne sysselsetter ansatte fra over 60 land og drives av UChicago Argonne, LLC ved US Department of Energy's Office of Science.
Vitenskapskontoret til det amerikanske energidepartementet er landets største talsmann for grunnleggende forskning innen fysiske vitenskaper, og jobber for å ta opp noen av de mest presserende problemene i vår tid. For mer informasjon, besøk https://​energy​.gov/​science​ience.