Изследователи от Националната лаборатория в Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) имат дълга история на пионерски открития в областта на литиево-йонните батерии. Много от тези резултати са за катод на батерията, наречен NMC, никел манган и кобалтов оксид. Батерия с този катод сега захранва Chevrolet Bolt.
Изследователите на Argonne постигнаха още един пробив в NMC катодите. Новата структура на малки катодни частици на екипа може да направи батерията по-издръжлива и по-безопасна, способна да работи при много високо напрежение и да осигури по-дълъг обхват на пътуване.
„Вече имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват, за да произвеждат катодни материали без граници под високо налягане“, Халил Амин, почетен сътрудник на Argonne.
„Съществуващите NMC катоди представляват голямо препятствие за работа с високо напрежение“, каза помощник-химик Гуилианг Сю. При цикъл на зареждане-разреждане, производителността спада бързо поради образуването на пукнатини в катодните частици. От десетилетия изследователите на батерии търсят начини да поправят тези пукнатини.
Един метод в миналото използва малки сферични частици, съставени от много много по-малки частици. Големите сферични частици са поликристални, с кристални домени с различна ориентация. В резултат на това те имат това, което учените наричат ​​граници на зърната между частиците, което може да доведе до спукване на батерията по време на цикъл. За да предотвратят това, колегите на Xu и Argonne преди това са разработили защитно полимерно покритие около всяка частица. Това покритие заобикаля големи сферични частици и по-малки частици в тях.
Друг начин да се избегне този вид напукване е да се използват монокристални частици. Електронната микроскопия на тези частици показа, че те нямат граници.
Проблемът за екипа беше, че катодите, направени от покрити поликристали и монокристали, все още се напукваха по време на циклиране. Поради това те проведоха обширен анализ на тези катодни материали в Advanced Photon Source (APS) и Центъра за наноматериали (CNM) в Argonne Science Center на Министерството на енергетиката на САЩ.
Бяха извършени различни рентгенови анализи на пет рамена на APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказва се, че това, което учените смятат за единичен кристал, както се вижда от електронна и рентгенова микроскопия, всъщност има граница вътре. Сканиращата и трансмисионна електронна микроскопия на CNM потвърди това заключение.
„Когато погледнахме повърхностната морфология на тези частици, те изглеждаха като единични кристали“, каза физикът Уенджун Лиу. 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 的 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Въпреки това, когато използвахме техника, наречена синхротронна рентгенова дифракционна микроскопия и други техники в APS, открихме, че границите са скрити вътре.“
Важно е, че екипът е разработил метод за производство на единични кристали без граници. Тестването на малки клетки с този монокристален катод при много високи напрежения показа 25% увеличение на съхранението на енергия на единица обем без практически никаква загуба на производителност за 100 тестови цикъла. Обратно, NMC катодите, съставени от многоинтерфейсни монокристали или покрити поликристали, показват спад на капацитета от 60% до 88% за същия живот.
Изчисленията в атомен мащаб разкриват механизма на намаляване на катодния капацитет. Според Мария Чанг, наноучен в CNM, границите са по-склонни да загубят кислородни атоми, когато батерията се зарежда, отколкото областите, които са по-далеч от тях. Тази загуба на кислород води до разграждане на клетъчния цикъл.
„Нашите изчисления показват как границата може да доведе до освобождаване на кислород при високо налягане, което може да доведе до намалена производителност“, каза Чан.
Елиминирането на границата предотвратява отделянето на кислород, като по този начин подобрява безопасността и цикличната стабилност на катода. Измерванията на отделянето на кислород с APS и усъвършенстван източник на светлина в Националната лаборатория Lawrence Berkeley на Министерството на енергетиката на САЩ потвърждават това заключение.
„Сега имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват, за да направят катодни материали, които нямат граници и работят при високо налягане“, каза Халил Амин, почетен сътрудник на Argonne. 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。”„Насоките трябва да се прилагат за катодни материали, различни от NMC.“
Статия за това изследване се появи в списанието Nature Energy. В допълнение към Xu, Amin, Liu и Chang, аргонските автори са 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 и Zonghai Chen. Учени от Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Wanli Yang, Qingtian Li и Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang и Shi-Gang Sun) и Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng и Mingao Ouyang).
За Аргонския център за наноматериали Центърът за наноматериали, един от петте изследователски центъра за нанотехнологии на Министерството на енергетиката на САЩ, е водещата национална потребителска институция за интердисциплинарни наномащабни изследвания, подкрепяни от Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ. Заедно NSRC формират набор от допълващи се съоръжения, които предоставят на изследователите най-съвременни възможности за производство, обработка, характеризиране и моделиране на наномащабни материали и представляват най-голямата инфраструктурна инвестиция в рамките на Националната инициатива за нанотехнологии. NSRC се намира в Националните лаборатории на Министерството на енергетиката на САЩ в Аргон, Брукхейвън, Лорънс Бъркли, Оук Ридж, Сандия и Лос Аламос. За повече информация относно NSRC DOE посетете https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ ъ-ъ-
Усъвършенстваният фотонен източник (APS) на Министерството на енергетиката на САЩ в Националната лаборатория в Аргон е един от най-производителните източници на рентгенови лъчи в света. APS осигурява рентгенови лъчи с висок интензитет на разнообразна изследователска общност в науката за материалите, химията, физиката на кондензираната материя, науките за живота и околната среда и приложните изследвания. Тези рентгенови лъчи са идеални за изучаване на материали и биологични структури, разпределение на елементи, химически, магнитни и електронни състояния и технически важни инженерни системи от всякакъв вид, от батерии до дюзи на горивни инжектори, които са жизненоважни за нашата национална икономика, технология . и тялото Основата на здравето. Всяка година повече от 5000 изследователи използват APS, за да публикуват повече от 2000 публикации, описващи важни открития и решаващи по-важни биологични протеинови структури, отколкото потребителите на всеки друг рентгенов изследователски център. Учените и инженерите на APS внедряват иновативни технологии, които са в основата на подобряването на работата на ускорителите и светлинните източници. Това включва входни устройства, които произвеждат изключително ярки рентгенови лъчи, ценени от изследователите, лещи, които фокусират рентгеновите лъчи до няколко нанометра, инструменти, които максимизират начина, по който рентгеновите лъчи взаимодействат с изследваната проба, и събирането и управлението на APS открития Изследванията генерират огромни обеми данни.
Това проучване използва ресурси от Advanced Photon Source, Потребителски център на Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ, управляван от Националната лаборатория Argonne за Службата на науката на Министерството на енергетиката на САЩ по договор номер DE-AC02-06CH11357.
Националната лаборатория в Аргон се стреми да реши належащите проблеми на местната наука и технологии. Като първата национална лаборатория в Съединените щати, Argonne провежда авангардни фундаментални и приложни изследвания в почти всяка научна дисциплина. Изследователите от Argonne работят в тясно сътрудничество с изследователи от стотици компании, университети и федерални, щатски и общински агенции, за да им помогнат да решат конкретни проблеми, да издигнат научното лидерство на САЩ и да подготвят нацията за по-добро бъдеще. В Argonne работят служители от над 60 държави и се управлява от UChicago Argonne, LLC от Службата по наука на Министерството на енергетиката на САЩ.
Службата по наука на Министерството на енергетиката на САЩ е най-големият поддръжник на фундаментални изследвания в областта на физическите науки в страната, като работи за справяне с някои от най-належащите проблеми на нашето време. За повече информация посетете https://​energy​.gov/​science​ience.