Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Argonne Nemzeti Laboratóriumának kutatói hosszú múltra tekintenek vissza úttörő felfedezések terén a lítium-ion akkumulátorok területén. Ezen eredmények közül sok az akkumulátor katódjához, az NMC-hez, nikkel-mangánhoz és kobalt-oxidhoz kapcsolódik. Egy ilyen katóddal ellátott akkumulátor hajtja most a Chevrolet Boltot.
Az Argonne kutatói újabb áttörést értek el az NMC katódok terén. A csapat új, apró katódrészecske-szerkezete tartósabbá és biztonságosabbá teheti az akkumulátort, képessé teheti nagyon magas feszültségen való működésre és hosszabb hatótávolságot biztosíthat.
„Most már rendelkezünk olyan útmutatással, amelyet az akkumulátorgyártók felhasználhatnak nagynyomású, szegély nélküli katódanyagok előállításához” – mondta Khalil Amin, az Argonne tiszteletbeli munkatársa.
„A meglévő NMC-katódok komoly akadályt jelentenek a nagyfeszültségű munkák során” – mondta Guiliang Xu segédvegyész. A töltés-kisütés ciklusok során a teljesítmény gyorsan csökken a katódrészecskékben keletkező repedések miatt. Az akkumulátorkutatók évtizedek óta keresik a repedések javításának módjait.
Egy korábbi módszer apró, gömb alakú részecskéket használt, amelyek sok, sokkal kisebb részecskéből álltak. A nagy gömb alakú részecskék polikristályosak, különböző orientációjú kristályos doménekkel. Ennek eredményeként a tudósok szemcsehatároknak nevezik őket a részecskék között, ami az akkumulátor repedését okozhatja egy ciklus során. Ennek megakadályozása érdekében Xu és Argonne kollégái korábban egy védő polimer bevonatot fejlesztettek ki minden egyes részecske köré. Ez a bevonat körülveszi a nagy gömb alakú részecskéket és a bennük lévő kisebb részecskéket.
Az ilyen típusú repedések elkerülésének egy másik módja az egykristályos részecskék használata. Ezen részecskék elektronmikroszkópos vizsgálata kimutatta, hogy nincsenek határai.
A csapat számára az volt a probléma, hogy a bevonatos polikristályokból és egykristályokból készült katódok a ciklusok során is repedtek. Ezért átfogó elemzést végeztek ezen katódanyagokon az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Tudományos Központjában található Advanced Photon Source (APS) és Center for Nanomaterials (CNM) központban.
Különböző röntgendiffrakciós elemzéseket végeztek öt APS karon (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C és 34-ID-E). Kiderült, hogy amit a tudósok egykristálynak gondoltak – ahogy azt az elektron- és röntgenmikroszkópia is kimutatta –, valójában belül határvonallal rendelkezett. A CNM-ek pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópiája megerősítette ezt a következtetést.
„Amikor megvizsgáltuk ezeknek a részecskéknek a felszíni morfológiáját, úgy tűnt, mintha egykristályok lennének” – mondta Wenjun Liu fizikus. 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 在 在 使用 使用 种 加速器， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Amikor azonban egy szinkrotron röntgendiffrakciós mikroszkópiának nevezett technikát és más technikákat alkalmaztunk az APS-ben, azt tapasztaltuk, hogy a határok belül rejtőztek.”
Fontos kiemelni, hogy a csapat kifejlesztett egy módszert határok nélküli egykristályok előállítására. A kis cellák nagyon magas feszültségen történő tesztelése során az egykristályos katóddal 25%-os növekedést tapasztaltak az egységnyi térfogatra jutó energiatárolásban, gyakorlatilag teljesítményveszteség nélkül 100 tesztciklus alatt. Ezzel szemben a több interfészű egykristályokból vagy bevonatos polikristályokból álló NMC katódok 60%-88%-os kapacitáscsökkenést mutattak ugyanezen élettartam alatt.
Atomi léptékű számítások feltárják a katódkapacitás csökkenésének mechanizmusát. Maria Chang, a CNM nanotudósa szerint az akkumulátor töltése során a határfelületek nagyobb valószínűséggel veszítenek oxigénatomokat, mint a tőlük távolabbi területek. Ez az oxigénveszteség a sejtciklus lebomlásához vezet.
„Számításaink azt mutatják, hogy a határfelület hogyan vezethet nagy nyomáson oxigén szabadulásához, ami a teljesítmény csökkenéséhez vezethet” – mondta Chan.
A határfelület megszüntetése megakadályozza az oxigénfejlődést, ezáltal javítva a katód biztonságát és ciklikus stabilitását. Az APS-sel és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumában található fejlett fényforrással végzett oxigénfejlődési mérések megerősítik ezt a következtetést.
„Most már rendelkezünk irányelvekkel, amelyeket az akkumulátorgyártók felhasználhatnak olyan katódanyagok előállítására, amelyeknek nincsenek korlátai és nagy nyomáson működnek” – mondta Khalil Amin, az Argonne tiszteletbeli munkatársa. 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。”„Az irányelveknek az NMC-től eltérő katódanyagokra kell vonatkozniuk.”
A tanulmányról egy cikk jelent meg a Nature Energy folyóiratban. Xu, Amin, Liu és Chang mellett az Argonne szerzői Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwanu Song, Duheng, Taing, Chang Chen. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (Wanli Yang, Qingtian Li és Zengqing Zhuo), a Xiameni Egyetem (Jing-Jing Fan, Ling Huang és Shi-Gang Sun) és a Tsinghua Egyetem (Dongsheng Ren, Xuning Feng és Mingao Ouyang) tudósai.
Az Argonne Nanotechnológiai Központról A Nanotechnológiai Központ, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának öt nanotechnológiai kutatóközpontjának egyike, a legfontosabb nemzeti felhasználói intézmény az interdiszciplináris nanoskálájú kutatások terén, amelyeket az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala támogat. Az NSRC-k együttesen egymást kiegészítő létesítmények összességét alkotják, amelyek a kutatók számára a legmodernebb képességeket biztosítják a nanoskálájú anyagok előállításához, feldolgozásához, jellemzéséhez és modellezéséhez, és a Nemzeti Nanotechnológiai Kezdeményezés keretében a legnagyobb infrastrukturális beruházást jelentik. Az NSRC az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Nemzeti Laboratóriumaiban található Argonne-ban, Brookhavenben, Lawrence Berkeley-ben, Oak Ridge-ben, Sandiában és Los Alamosban. Az NSRC DOE-ról további információért látogasson el a https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance weboldalra.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Nemzeti Laboratóriumában található Fejlett Fotonforrás (APS) a világ egyik legtermelékenyebb röntgenforrása. Az APS nagy intenzitású röntgensugarakat biztosít a sokszínű kutatói közösség számára az anyagtudomány, a kémia, a kondenzált anyagok fizikája, az élet- és környezettudományok, valamint az alkalmazott kutatás területén. Ezek a röntgensugarak ideálisak anyagok és biológiai szerkezetek, az elemek eloszlásának, a kémiai, mágneses és elektronikus állapotoknak, valamint mindenféle műszakilag fontos mérnöki rendszer tanulmányozására, az akkumulátoroktól az üzemanyag-befecskendező fúvókákig, amelyek létfontosságúak nemzetgazdaságunk, technológiánk és testünk számára. Az egészség alapja. Minden évben több mint 5000 kutató használja az APS-t, hogy több mint 2000 publikációt tegyen közzé, amelyek fontos felfedezéseket részleteznek, és több fontos biológiai fehérjeszerkezetet oldanak meg, mint bármely más röntgenkutató központ felhasználói. Az APS tudósai és mérnökei olyan innovatív technológiákat alkalmaznak, amelyek a gyorsítók és fényforrások teljesítményének javítását alapozzák meg. Ez magában foglalja azokat a bemeneti eszközöket, amelyek rendkívül fényes röntgensugarakat állítanak elő, amelyeket a kutatók nagyra értékelnek, a röntgensugarakat néhány nanométerre fókuszáló lencséket, a röntgensugarak és a vizsgált minta kölcsönhatását maximalizáló eszközöket, valamint az APS-felfedezések gyűjtését és kezelését. A kutatás hatalmas adatmennyiségeket generál.
Ez a tanulmány az Advanced Photon Source, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala Felhasználói Központjának erőforrásait használta fel, amelyet az Argonne Nemzeti Laboratórium üzemeltet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala számára a DE-AC02-06CH11357 szerződésszám alatt.
Az Argonne Nemzeti Laboratórium a hazai tudomány és technológia sürgető problémáinak megoldására törekszik. Az Egyesült Államok első nemzeti laboratóriumaként az Argonne élvonalbeli alap- és alkalmazott kutatásokat végez gyakorlatilag minden tudományos területen. Az Argonne kutatói szorosan együttműködnek több száz vállalat, egyetem, valamint szövetségi, állami és önkormányzati ügynökség kutatóival, hogy segítsék őket a konkrét problémák megoldásában, az Egyesült Államok tudományos vezető szerepének előmozdításában és a nemzet jobb jövőre való felkészítésében. Az Argonne több mint 60 országból foglalkoztat alkalmazottakat, és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatalához tartozó UChicago Argonne, LLC üzemelteti.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala az ország legnagyobb fizikai tudományok alapkutatásának támogatója, amely korunk legsürgetőbb kérdéseinek megoldásán dolgozik. További információkért látogasson el a https://​energy​.gov/​science​ience weboldalra.