Изследователи от Националната лаборатория на Американската Министерство на енергията (DOE) имат дълга история на пионерни открития в областта на литиево-йонните батерии. Много от тези резултати са за катод на батерията, наречен NMC, никелов манган и кобалтов оксид. Батерия с този катод сега захранва болта Chevrolet.
Изследователите на Argonne са постигнали друг пробив в NMC Cathodes. Новата мъничка структура на частиците на екипа може да направи батерията по -издръжлива и по -безопасна, способна да работи при много високи напрежения и да осигури по -дълги диапазони на пътуване.
„Сега имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват за изработка на високо налягане, безгранични катодни материали“, Khalil Amin, колега Argonne Emeritus.
„Съществуващите NMC катоди представляват основно препятствие за работа с високо напрежение“, казва помощник -химикът Гилианг Сю. С колоезденето на заряд на заряд, производителността намалява бързо поради образуването на пукнатини в катодните частици. От десетилетия изследователите на батериите търсят начини да поправят тези пукнатини.
Един метод в миналото е използвал малки сферични частици, съставени от много по -малки частици. Големите сферични частици са поликристални, с кристални домейни с различни ориентации. В резултат на това те имат това, което учените наричат ​​граници на зърното между частиците, което може да доведе до напукване 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 използването на единични кристални частици. Електронната микроскопия на тези частици показа, че те нямат граници.
Проблемът за екипа беше, че катодите, направени от покрити поликристали и единични кристали, все още се напукват по време на колоездене. Следователно те проведоха обширен анализ на тези катодни материали при разширения източник на фотони (APS) и Център за наноматериали (CNM) в Научния център на Американския Министерство на енергията.
Различни рентгенови анализи бяха извършени на пет APS рамена (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказва се, че това, което учените смятат, че е единичен кристал, както е показано от електрон и рентгенова микроскопия, всъщност има граница вътре. Сканиране и електронна микроскопия на CNMS потвърди това заключение.
„Когато разгледахме повърхностната морфология на тези частици, те приличаха на единични кристали“, казва физикът Венджун Лю. 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 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 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 技术 和 其他 时 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Въпреки това, когато използвахме техника, наречена Synchrotron рентгенова дифракционна микроскопия и други техники при APS, установихме, че границите са скрити вътре.“
Важното е, че екипът е разработил метод за производство на единични кристали без граници. Тестването на малки клетки с този еднокристален катод при много високи напрежения показа 25% увеличение на енергийното съхранение на единица обем, като почти няма загуба на производителност над 100 тестови цикъла. За разлика от тях, NMC катоди, съставени от мулти-интерфейтни единични кристали или покрити поликристали, показват спад на капацитета от 60% до 88% за същия живот.
Изчисленията на атомната скала разкриват механизма на намаляване на капацитета на катод. Според Мария Чанг, наноозист в CNM, границите са по -склонни да загубят кислородни атоми, когато батерията се зарежда от зоните 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 намаляване на работата“, каза Чан.
Елиминирането на границата предотвратява еволюцията на кислорода, като по този начин подобрява безопасността и цикличната стабилност на катода. Измерванията на еволюцията на кислорода с APS и напреднал източник на светлина в Националната лаборатория на Министерството на САЩ в Министерството на енергетиката потвърждават това заключение.
„Сега имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват, за да направят катодни материали, които нямат граници и да работят при високо налягане“, казва Халил Амин, колега от Аргон. 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 проучване се появи в списанието Nature Energy. В допълнение към Xu, Amin, Liu и Chang, авторите на Argonne 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, Junjing Deng, inhui hwang, chengun, chungun, inhui hwang, chengjun sun, ta Zhou, ming du, и chenjun sun, tau zhou, ming du, chenjun Zonghai Chen. Учени от Националната лаборатория на Лорънс Беркли (Wanli Yang, Qingtian Li и Zengqing Zhuo), университета Xiamen (фен на Джинг-джинг, Линг Хуанг и Ши-Ганг Сун) и Университет Цингхуа (Dongsheng Ren, Xuning Feng и Mingao Ouyang).
За Центъра за наноматериали в Аргон Центърът за наноматериали, един от петте американски Министерски изследователски центрове за нанотехнологии, е водещата национална потребителска институция за интердисциплинарни изследвания на наноразмер, подкрепена от Службата на науката на САЩ. Заедно NSRC образуват набор от допълващи съоръжения, които предоставят на изследователите най-съвременни възможности за изработване, обработка, характеризиране и моделиране на наноразмерни материали и представляват най-голямата инвестиция в инфраструктура по Националната нанотехнологична инициатива. NSRC се намира в националните лаборатории на Министерството на енергетиката в Аргон, Брукхавен, Лорънс Беркли, 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 er-f a c i l it ie s-at -a glance.
Усъвършенстваният източник на фотони (APS) на Министерството на енергията в САЩ в Националната лаборатория на Аргон е един от най-продуктивните рентгенови източници в света. APS предоставя рентгенови лъчи с висока интензивност на разнообразна изследователска общност в науката за материалите, химията, кондензираната материя физика, живот и науки за околната среда и приложни изследвания. Тези рентгенови лъчи са идеални за изучаване на материали и биологични структури, разпределение на елементи, химични, магнитни и електронни състояния и технически важни инженерни системи от всякакъв вид-от батерии до дюзи за инжектор на гориво, които са жизненоважни за нашата национална икономика, технология. и орган на основата на здравето. Всяка година над 5000 изследователи използват APS за публикуване на повече от 2000 публикации, в които подробно се описват важни открития и решаването на по-важни биологични протеинови структури от потребителите на всеки друг рентгенов изследователски център. Учените и инженерите на APS прилагат иновативни технологии, които са основата за подобряване на работата на ускорителите и източниците на светлина. Това включва входни устройства, които произвеждат изключително ярки рентгенови лъчи, ценени от изследователи, лещи, които фокусират рентгеновите лъчи до няколко нанометра, инструменти, които максимално максимално взаимодействат с изследваната извадка, а събирането и управлението на APS Discoveries изследвания генерират огромни обеми на данни.
Това проучване използва ресурси от Advanced Photon Source, US Meprion of Energy Office of Science User Center, опериран от Националната лаборатория на Аргон за Министерството на енергетиката на САЩ по номера на договора DE-AC02-06CH11357.
Националната лаборатория на Аргон се стреми да реши належащите проблеми на вътрешната наука и технологии. Като първата национална лаборатория в Съединените щати, Аргон провежда авангардни основни и приложни изследвания в почти всяка научна дисциплина. Изследователите на Argonne работят в тясно сътрудничество със изследователи от стотици компании, университети и федерални, държавни и общински агенции, за да им помогнат да решат конкретни проблеми, да усъвършенстват научното ръководство на САЩ и да подготвят нацията за по -добро бъдеще. Argonne работят служители от над 60 страни и се управляват от Uchicago Argonne, LLC от Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ.
Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ е най -големият привърженик на основните изследвания в областта на физическите науки, който работи за справяне с някои от най -належащите проблеми на нашето време. За повече информация посетете https: // energy .gov/science ience.