Forskere ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrytende oppdagelser innen litiumionbatterier. Mange av disse resultatene gjelder batterikatoden, kalt NMC, nikkel-mangan 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 rekkevidde.
«Vi har nå veiledning som batteriprodusenter kan bruke for å lage katodematerialer uten grenser for høyt trykk», sier Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
«Eksisterende NMC-katoder utgjør en stor hindring for høyspenningsarbeid», sa assisterende kjemiker Guiliang Xu. Med ladnings- og utladningssykluser synker 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 brukte tidligere ørsmå sfæriske partikler sammensatt av mange mye mindre partikler. Store sfæriske partikler er polykrystallinske, med krystallinske domener med ulik orientering. Som et resultat har de det forskere kaller korngrenser mellom partiklene, noe 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 inni dem.
En annen måte å unngå denne typen sprekkdannelse 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 enkeltkrystall, vist ved elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk hadde en grense inni. Skannings- 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 皅 旻微镜 的 旊我们 发现 边界 隐藏 在。”«Men da vi brukte en teknikk kalt synkrotronrøntgendiffraksjonsmikroskopi og andre teknikker ved APS, fant vi ut at grensene var skjult inni.»
Det er viktig å merke seg at teamet har utviklet en metode for å produsere enkeltkrystaller uten grenser. Testing av små celler med denne enkeltkrystallkatoden ved svært høye spenninger viste en økning på 25 % i energilagring per volumenhet med så godt som ingen tap av ytelse over 100 testsykluser. I motsetning til dette viste NMC-katoder bestående av enkeltkrystaller med flere grensesnitt eller belagte polykrystaller et kapasitetsfall på 60 % til 88 % i løpet av samme levetid.
Atomskalaberegninger avslører mekanismen for reduksjon av katodekapasitans. 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 forringelse av cellesyklusen.
«Beregningene våre viser hvordan grensen kan føre til at oksygen frigjøres ved høyt trykk, noe som kan føre til redusert ytelse», sa Chan.
Å eliminere grensen forhindrer oksygenutvikling, og forbedrer dermed katodens sikkerhet og sykliske stabilitet. Målinger av oksygenutvikling 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 opererer under 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。”«Retningslinjene 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 Ming Duo Zhou, og Zonghai Ming Duo Zhou. 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 Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, et av fem forskningssentre for nanoteknologi i det amerikanske energidepartementet, er den fremste nasjonale brukerinstitusjonen for tverrfaglig nanoskalaforskning støttet av det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor. Sammen danner NSRC-ene en pakke med komplementære fasiliteter som gir forskere toppmoderne kapasitet for å produsere, bearbeide, karakterisere og modellere nanoskalamaterialer, og representerer den største infrastrukturinvesteringen under National Nanotechnology Initiative. NSRC ligger ved det amerikanske energidepartementets nasjonale laboratorier i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mer informasjon om NSRC DOE, besøk https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Det amerikanske energidepartementets avanserte fotonkilde (APS) ved Argonne National Laboratory er en av de mest produktive røntgenkildene i verden. APS leverer høyintensitetsrøntgenstråler 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, fordelingen 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 kroppen – grunnlaget for helse. Hvert år bruker mer enn 5000 forskere APS til å publisere mer enn 2000 publikasjoner som beskriver viktige oppdagelser 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 lyse 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 benyttet ressurser fra Advanced Photon Source, et brukersenter i henhold til det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor, drevet av Argonne National Laboratory for det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor under kontraktsnummer 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 utfører Argonne banebrytende grunnforskning og anvendt forskning innen så godt som 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 lederskap og forberede nasjonen på en bedre fremtid. Argonne har ansatte fra over 60 land og drives av UChicago Argonne, LLC i det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor.
Det amerikanske energidepartementets vitenskapskontor er landets største forkjemper for grunnforskning innen fysikk, og arbeider for å løse noen av de mest presserende problemstillingene i vår tid. For mer informasjon, besøk https://energy.gov/scienceience.