Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Argonne Nemzeti Laboratóriumának kutatói hosszú múltra tekintenek vissza a lítium-ion akkumulátorok terén tett úttörő felfedezések terén. Ezen eredmények közül sok az akkumulátor katódra vonatkozik, az úgynevezett NMC-re, a nikkel-mangánra és a kobalt-oxidra. Egy ilyen katóddal ellátott akkumulátor táplálja 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, amely nagyon magas feszültségen is képes működni, és hosszabb hatótávolságot biztosít.
„Mostantól olyan útmutatást kaptunk, amelyet az akkumulátorgyártók használhatnak nagynyomású, szegély nélküli katódanyagok előállítására” – mondta Khalil Amin, Argonne Emeritus munkatársa.
„A meglévő NMC-katódok komoly akadályt jelentenek a nagyfeszültségű munkában” – mondta Guiliang Xu vegyész-asszisztens. Töltés-kisütés ciklus esetén a teljesítmény gyorsan csökken a katódrészecskékben keletkező repedések miatt. Az akkumulátorkutatók évtizedek óta keresik a módokat ezeknek a repedéseknek a kijavítására.
Az egyik módszer a múltban apró gömb alakú részecskéket használt, amelyek sok sokkal kisebb részecskéből álltak. A nagy gömb alakú részecskék polikristályosak, különböző orientációjú kristályos doménekkel. Ennek eredményeként a részecskék között szemcsehatárok vannak a tudósok szerint, ami miatt az akkumulátor megrepedhet a ciklus során. Ennek megakadályozására Xu és Argonne kollégái korábban minden részecskére védő polimer bevonatot fejlesztettek ki. Ez a bevonat nagy gömb alakú részecskéket és a bennük lévő kisebb részecskéket vesz körül.
Az ilyen repedés elkerülésének másik módja az egykristály részecskék használata. Ezen részecskék elektronmikroszkópos vizsgálata kimutatta, hogy nincs határuk.
A csapat problémája az volt, hogy a bevont polikristályokból és egykristályokból készült katódok még mindig megrepedtek a kerékpározás során. Ezért az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Tudományos Központjában az Advanced Photon Source (APS) és a Nanomaterials Központ (CNM) kiterjedt elemzését végezték el ezekről a katódanyagokról.
Különféle röntgenanalíziseket 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, amint azt az elektron- és röntgenmikroszkóppal kimutatták, annak belül volt egy határa. A CNM-ek pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálata megerősítette ezt a következtetést.
"Amikor megvizsgáltuk ezeknek a részecskéknek a felületi morfológiáját, egykristálynak tűntek" - mondta Wenjun Liu fizikus. ✨APS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 称为 同步 加速器们 发现 边界 隐藏 在。”"Amikor azonban a szinkrotron röntgendiffrakciós mikroszkópiának nevezett technikát és más technikákat alkalmaztunk az APS-nél, azt találtuk, hogy a határok belül vannak elrejtve."
Fontos, hogy a csapat kifejlesztett egy módszert egykristályok határok nélküli előállítására. A kisméretű cellák ezzel az egykristályos katóddal nagyon nagy feszültségen történő tesztelése 25%-os energiatárolás-növekedést mutatott ki egységnyi térfogatra vetítve, gyakorlatilag teljesítménycsökkenés nélkül 100 tesztciklus alatt. Ezzel szemben a többfelületű egykristályokból vagy bevont polikristályokból álló NMC-katódok kapacitása 60%-ról 88%-ra csökkent ugyanazon élettartam alatt.
Az atomi léptékű számítások feltárják a katódok kapacitáscsökkentésének mechanizmusát. Maria Chang, a CNM nanotudósa szerint a határok nagyobb valószínűséggel veszítenek oxigénatomokat az akkumulátor feltöltésekor, mint a tőlük távolabbi területek. Ez az oxigénvesztés a sejtciklus lebomlásához vezet.
"Számításaink azt mutatják, hogy a határ hogyan vezethet oxigén felszabadulásához nagy nyomáson, ami csökkenti a teljesítményt" - mondta Chan.
A határvonal megszüntetése megakadályozza az oxigénfejlődést, ezáltal javítva a katód biztonságát és ciklikus stabilitását. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumában APS-sel és fejlett fényforrással végzett oxigénfejlődési mérések megerősítik ezt a következtetést.
„Most már rendelkezünk irányelvekkel, amelyeket az akkumulátorgyártók használhatnak határok nélküli és nagy nyomáson működő katódanyagok előállítására” – mondta Khalil Amin, az Argonne Emeritus tagja. 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 irányelveket az NMC-től eltérő katódanyagokra kell alkalmazni."
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 Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du és Zonghai 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 Nanomaterials Központról A Center for Nanomaterials, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának öt nanotechnológiai kutatóközpontjának egyike, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala által támogatott interdiszciplináris nanoméretű kutatás első számú nemzeti felhasználói intézménye. Az NSRC-k együttesen olyan kiegészítő létesítmények sorozatát alkotják, amelyek a kutatók számára a legmodernebb képességeket biztosítják a nanoméretű anyagok előállításához, feldolgozásához, jellemzéséhez és modellezéséhez, és a legnagyobb infrastrukturális beruházást jelentik a Nemzeti Nanotechnológiai Kezdeményezés keretében. Az NSRC az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Nemzeti Laboratóriumában található, Argonne-ban, Brookhavenben, Lawrence Berkeley-ben, Oak Ridge-ben, Sandiában és Los Alamosban. Az NSRC DOE-vel kapcsolatos további információkért látogasson el a https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/​Us oldalra. ​er​-​Fa​c​i​it​ie​ie​s​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának fejlett fotonforrása (APS) az Argonne National Laboratory-ban a világ egyik legtermékenyebb röntgensugárforrása. Az APS nagy intenzitású röntgensugárzást biztosít az anyagtudomány, a kémia, a kondenzáltanyag-fizika, az élet- és környezettudományok, valamint az alkalmazott kutatások sokszínű kutatói közösségének. Ezek a röntgensugarak ideálisak anyagok és biológiai szerkezetek, elemek eloszlásának, kémiai, mágneses és elektronikai állapotok, valamint mindenféle műszakilag fontos mérnöki rendszer tanulmányozására, az akkumulátoroktól a tüzelőanyag-befecskendező fúvókákig, amelyek létfontosságúak nemzetgazdaságunk, technológiánk számára. . és test Az egészség alapja. Évente több mint 5000 kutató használja az APS-t, hogy több mint 2000 publikációt tegyen közzé, amelyek fontos felfedezéseket részleteznek és fontosabb biológiai fehérjeszerkezeteket oldanak meg, mint bármely más röntgenkutató központ felhasználói. Az APS tudósai és mérnökei olyan innovatív technológiákat valósítanak meg, amelyek a gyorsítók és fényforrások teljesítményének javításának alapját képezik. Ide tartoznak a kutatók által nagyra értékelt, rendkívül fényes röntgensugarakat előállító bemeneti eszközök, a röntgensugarakat néhány nanométeresre fókuszáló lencsék, olyan műszerek, amelyek maximalizálják a röntgensugárzásnak a vizsgált mintával való kölcsönhatását, valamint az APS felfedezések összegyűjtése és kezelése. A kutatás hatalmas adatmennyiséget generál.
Ez a tanulmány az Advanced Photon Source, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatalának felhasználói központjának erőforrásait használta fel, amelyet az Argonne National Laboratory működtet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala számára a DE-AC02-06CH11357 szerződésszám alatt.
Az Argonne National Laboratory 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 tudományterületen. Az Argonne kutatói szorosan együttműködnek több száz vállalat, egyetem, valamint szövetségi, állami és önkormányzati ügynökség kutatóival, hogy segítsenek nekik megoldani konkrét problémákat, előmozdítani az Egyesült Államok tudományos vezető szerepét, és felkészíteni a nemzetet egy szebb jövőre. Az Argonne több mint 60 országból foglalkoztat alkalmazottakat, és az UChicago Argonne, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatalának LLC üzemeltetője.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala az ország legnagyobb támogatója a fizikai tudományok alapkutatásában, és azon dolgozik, hogy korunk legégetőbb problémáit kezelje. További információért látogasson el a https://​energy​.gov/​science​ience webhelyre.