Изследователи от Националната лаборатория Аргон към Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) имат дълга история на пионерски открития в областта на литиево-йонните батерии. Много от тези резултати са за катода на батерията, наречен NMC, никел-манганов и кобалтов оксид. Батерия с този катод сега захранва Chevrolet Bolt.
Изследователи от Аргон постигнаха пореден пробив в NMC катодите. Новата структура на екипа с миниатюрни катодни частици може да направи батерията по-издръжлива и по-безопасна, способна да работи при много високи напрежения и да осигури по-дълги разстояния на работа.
„Вече имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват, за да произвеждат катодни материали за високо налягане без граници“, каза Халил Амин, почетен член на Argonne.
„Съществуващите NMC катоди представляват основна пречка за работата с високо напрежение“, каза помощник-химикът Гуилиан Сю. При циклите на заряд-разряд, производителността спада бързо поради образуването на пукнатини в катодните частици. В продължение на десетилетия изследователите на батерии търсят начини за поправяне на тези пукнатини.
Един метод в миналото е използвал малки сферични частици, съставени от много много по-малки частици. Големите сферични частици са поликристални, с кристални домейни с различна ориентация. В резултат на това те имат това, което учените наричат граници на зърната между частиците, което може да доведе до напукване на батерията по време на цикъл. За да предотвратят това, колегите на Сю и Аргон предварително са разработили защитно полимерно покритие около всяка частица. Това покритие обгражда големите сферични частици и по-малките частици в тях.
Друг начин да се избегне този вид напукване е използването на монокристални частици. Електронната микроскопия на тези частици показа, че те нямат граници.
Проблемът за екипа беше, че катодите, изработени от покрити поликристали и монокристали, все още се напукват по време на циклиране. Поради това те проведоха обширен анализ на тези катодни материали в Advanced Photon Source (APS) и Center for Nanomaterials (CNM) в Научния център Argonne към Министерството на енергетиката на САЩ.
Различни рентгенови анализи бяха извършени на пет APS рамена (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказа се, че това, което учените са смятали за монокристал, както е показано чрез електронна и рентгенова микроскопия, всъщност е имало граница вътре. Сканиращата и трансмисионната електронна микроскопия на CNM потвърдиха това заключение.
„Когато разгледахме повърхностната морфология на тези частици, те изглеждаха като монокристали“, 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 монокристали без граници. Тестването на малки клетки с този монокристален катод при много високи напрежения показа 25% увеличение на съхранението на енергия на единица обем, практически без загуба на производителност в продължение на 100 тестови цикъла. За разлика от това, NMC катодите, съставени от многоинтерфейсни монокристали или покрити поликристали, показаха спад на капацитета от 60% до 88% за същия живот.
Изчисленията в атомен мащаб разкриват механизма на намаляване на капацитета на катода. Според Мария Чанг, наноучен в CNM, границите са по-склонни да губят кислородни атоми, когато батерията е заредена, отколкото областите, по-отдалечени от тях. Тази загуба на кислород води до влошаване на клетъчния цикъл.
„Нашите изчисления показват как границата може да доведе до отделяне на кислород под високо налягане, което може да доведе до намалена производителност“, каза Чан.
Премахването 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 светлинен източник в Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ към Министерството на енергетиката на САЩ потвърждават това заключение.
„Сега имаме насоки, които производителите на батерии могат да използват, за да създават катодни материали, които нямат граници и работят при високо налягане“, каза Халил Амин, почетен член 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 Чен. 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).
Относно Центъра за наноматериали „Аргон“ Центърът за наноматериали, един от петте изследователски центъра за нанотехнологии към Министерството на енергетиката на САЩ, е водещата национална потребителска институция за интердисциплинарни наномащабни изследвания, подкрепяна от Службата за наука към Министерството на енергетиката на САЩ. Заедно, NSRC образуват 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/User-Facilities/ Us er-Facilitieies-at-aGlance.
Усъвършенстваният фотонен източник (APS) на Министерството на енергетиката на САЩ в Националната лаборатория Аргон е един от най-продуктивните рентгенови източници в света. APS предоставя високоинтензивни рентгенови лъчи на разнообразна изследователска общност в областта на материалознанието, химията, физиката на кондензираната материя, науките за живота и околната среда, както и приложните изследвания. Тези рентгенови лъчи са идеални за изучаване на материали и биологични структури, разпределението на елементи, химични, магнитни и електронни състояния и технически важни инженерни системи от всякакъв вид, от батерии до дюзи за гориво, които са жизненоважни за националната ни икономика, технологии и тяло. 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 който и да е друг център за рентгенови изследвания. Учените и инженерите на APS внедряват иновативни технологии, които са в основата за подобряване на производителността 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, както и събирането и управлението на открития, получени чрез APS. Изследванията генерират огромни обеми от 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 Аргон за Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ по договор номер DE-AC02-06CH11357.
Националната лаборатория „Аргон“ се стреми да реши належащите проблеми на вътрешната наука и технологии. Като първата национална лаборатория в Съединените щати, „Аргон“ провежда авангардни фундаментални и приложни изследвания в почти всяка научна дисциплина. Изследователите от „Аргон“ работят в тясно сътрудничество с изследователи от стотици компании, университети и федерални, щатски и общински агенции, за да им помогнат да решат специфични проблеми, да подобрят научното лидерство на САЩ и да подготвят нацията за по-добро бъдеще. „Аргон“ наема служители от над 60 държави и се управлява от UChicago Argonne, LLC към Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ.
Службата за наука към Министерството на енергетиката на САЩ е най-големият поддръжник на фундаменталните изследвания в областта на физическите науки в страната, работещ за справяне с някои от най-належащите проблеми на нашето време. За повече информация посетете https://energy.gov/scienceience.
Време на публикуване: 21 септември 2022 г.
