Forskere ved det amerikanske Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrytende funn innen litium-ion-batterier. Mange av disse resultatene er for batterikatoden, kalt NMC, nikkel mangan og koboltoksyd. Et batteri med denne katoden driver nå Chevrolet Bolt.
Argonne -forskere har oppnådd et nytt gjennombrudd i NMC -katoder. Teamets nye bittesmå katodepartikkelstruktur kan gjøre batteriet mer holdbart og tryggere, i stand til å operere med veldig høye spenninger og gi lengre reiseserier.
"Vi har nå veiledning som batteriprodusenter kan bruke til å lage høyt trykk, grenseløse katodematerialer," Khalil Amin, Argonne med emeritus.
"Eksisterende NMC -katoder presenterer et stort hinder for høyspenningsarbeid," sa assistentkjemiker Guiliang Xu. Med ladningssladningssykling synker ytelsen raskt på grunn av dannelse av sprekker i katodepartiklene. I flere tiår har batteriforskere lett etter måter å reparere disse sprekkene på.
En metode i fortiden 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 forskere kaller korngrenser mellom partikler, 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 i dem.
En annen måte å unngå denne typen sprekker 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 fremdeles sprakk under sykling. Derfor utførte de omfattende analyse av disse katodematerialene ved Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) ved det amerikanske Department of Energy's 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 forskere mente var en enkelt krystall, som vist ved elektron og røntgenmikroskopi, faktisk hadde en grense inne. Skanning og overføringselektronmikroskopi 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。 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 和 其他 ， 我们 发现 边界 在。 在。 在。"Men når vi brukte en teknikk som heter synkrotron røntgendiffraksjonsmikroskopi og andre teknikker ved APS, fant vi at grensene var skjult inne."
Det er viktig at teamet har utviklet en metode for å produsere enkeltkrystaller uten grenser. Å teste små celler med denne enkeltkrystale katoden ved veldig høye spenninger viste en økning på 25% i energilagring per volum enhet med praktisk talt ingen tap i ytelsen over 100 testsykluser. I kontrast viste NMC-katoder sammensatt av enkeltkrystaller eller belagte polykrystaller et kapasitetsfall på 60% til 88% i løpet av samme levetid.
Beregninger av atomskala avslører mekanismen for reduksjon av katodekapasitans. I følge Maria Chang, en nanovitenskapsmann ved CNM, er det mer sannsynlig at det mister oksygenatomer når batteriet lades enn områder lenger borte fra dem. Dette tapet av oksygen fører til nedbrytning av cellesyklusen.
"Beregningene våre viser hvordan grensen kan føre til at oksygen blir frigitt ved høyt trykk, noe som kan føre til redusert ytelse," sa Chan.
Å eliminere grensen forhindrer oksygenutvikling, og forbedrer dermed sikkerheten og sykliske stabiliteten til katoden. Oksygenutviklingsmålinger med APS og en avansert lyskilde ved det amerikanske Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory bekrefter denne konklusjonen.
"Nå har vi retningslinjer som batteriprodusenter kan bruke til å lage katodematerialer som ikke har noen grenser og opererer med høyt trykk," sa Khalil Amin, Argonne med 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, Taiang, Amin Daali, Yang, Wenqian Xu, Junjing, Ming, 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 Mingaoo Ouyang).
Om Argonne Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, en av fem amerikanske Department of Energy Nanotechnology Research Centers, er den fremste nasjonale brukerinstitusjonen for tverrfaglig nanoskala -forskning støttet av det amerikanske Department of Energy's Office of Science. Sammen danner NSRCs en serie med komplementære fasiliteter som gir forskere avanserte muligheter for å fremstille, behandle, karakterisere og modellere nanoskala-materialer og representerer den største infrastrukturinvesteringen under National Nanotechnology Initiative. NSRC ligger ved det amerikanske departementet for energi nasjonale laboratorier i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mer informasjon om NSRC DOE, besøk https: // science .osti .gov/oss er-f a c i tente ie s/oss er-f a c i l it dvs. dvs. s-med et blikk.
Det amerikanske Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory er en av de mest produktive røntgenkildene i verden. APS gir røntgenstråler med høy intensitet til et mangfoldig forskningssamfunn innen materialvitenskap, kjemi, kondensert materie fysikk, liv og miljøvitenskap og anvendt forskning. Disse røntgenbildene 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 kropp grunnlaget for helse. Hvert år bruker mer enn 5000 forskere AP-er for 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 inngangsenheter som produserer ekstremt lyse røntgenbilder verdsatt av forskere, linser som fokuserer røntgenbilder ned til noen få nanometer, instrumenter som maksimerer måten røntgenbilder samhandler med prøven som studeres, og innsamling og styring av APS Discoveries Research genererer enorme datavolumer.
Denne studien benyttet ressurser fra Advanced Photon Source, et amerikansk avdeling for Energy Office of Science User Center som ble drevet av Argonne National Laboratory for US Department of Energy Office of Science under kontraktsnummer DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory streber etter å løse de presserende problemene med innenlandsk vitenskap og teknologi. Som det første nasjonale laboratoriet i USA, driver Argonne banebrytende grunnleggende og anvendt forskning i praktisk talt alle vitenskapelige disiplin. Argonne -forskere samarbeider tett med forskere fra hundrevis av selskaper, universiteter og føderale, statlige og kommunale byråer for å hjelpe dem med å løse spesifikke problemer, fremme USAs vitenskapelige ledelse og forberede nasjonen på en bedre fremtid. Argonne sysselsetter ansatte fra over 60 land og drives av Uchicago Argonne, LLC ved det amerikanske Department of Energy's Office of Science.
Office of Science of the US Department of Energy 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: // energi .gov/science ience.