Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrydende opdagelser inden for litium-ion-batterier. Mange af disse resultater gælder batteriets katode, kaldet NMC, nikkel-mangan og koboltoxid. Et batteri med denne katode driver nu Chevrolet Bolt.
Argonne-forskere har opnået endnu et gennembrud inden for NMC-katoder. Holdets nye små katodepartikelstruktur kan gøre batteriet mere holdbart og sikkert, i stand til at fungere ved meget høje spændinger og give længere rækkevidde.
"Vi har nu vejledning, som batteriproducenter kan bruge til at fremstille højtrykskatodematerialer uden kant," udtaler Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Eksisterende NMC-katoder udgør en stor hindring for højspændingsarbejde," sagde assisterende kemiker Guiliang Xu. Med ladnings- og afladningscyklusser falder ydeevnen hurtigt på grund af dannelsen af ​​revner i katodepartiklerne. I årtier har batteriforskere ledt efter måder at reparere disse revner på.
En metode brugte tidligere små sfæriske partikler sammensat af mange meget mindre partikler. Store sfæriske partikler er polykrystallinske med krystallinske domæner i forskellige orienteringer. Som et resultat har de det, som forskere kalder korngrænser mellem partikler, hvilket kan få batteriet til at revne under en cyklus. For at forhindre dette havde Xu og Argonnes kolleger tidligere udviklet en beskyttende polymerbelægning omkring hver partikel. Denne belægning omgiver store sfæriske partikler og mindre partikler indeni dem.
En anden måde at undgå denne form for revnedannelse på er at bruge enkeltkrystalpartikler. Elektronmikroskopi af disse partikler viste, at de ikke har nogen grænser.
Problemet for teamet var, at katoder lavet af belagte polykrystaller og enkeltkrystaller stadig revnede under cyklussen. Derfor udførte de omfattende analyser af disse katodematerialer på Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) på det amerikanske energiministeriums Argonne Science Center.
Forskellige røntgenanalyser blev udført på fem APS-arme (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C og 34-ID-E). Det viser sig, at det, som forskerne troede var en enkelt krystal, som vist ved elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk havde en grænse indeni. Scannings- og transmissionselektronmikroskopi af CNM'er bekræftede denne konklusion.
"Da vi kiggede på overflademorfologien af ​​disse partikler, lignede de enkeltkrystaller," sagde fysikeren Wenjun Liu. 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 皅 旊微镜 的 旊我们 发现 边界 隐藏 在。”"Men da vi brugte en teknik kaldet synkrotronrøntgendiffraktionsmikroskopi og andre teknikker på APS, fandt vi ud af, at grænserne var skjult indeni."
Det er vigtigt at bemærke, at teamet har udviklet en metode til at producere enkeltkrystaller uden grænser. Test af små celler med denne enkeltkrystalkatode ved meget høje spændinger viste en stigning på 25 % i energilagring pr. volumenhed med stort set intet tab af ydeevne over 100 testcyklusser. I modsætning hertil viste NMC-katoder bestående af multi-interface enkeltkrystaller eller belagte polykrystaller et kapacitetsfald på 60 % til 88 % i løbet af den samme levetid.
Beregninger på atomskala afslører mekanismen bag reduktion af katodekapacitans. Ifølge Maria Chang, en nanoforsker ved CNM, er der større sandsynlighed for, at grænser mister iltatomer, når batteriet oplades, end områder længere væk fra dem. Dette tab af ilt fører til forringelse af cellecyklussen.
"Vores beregninger viser, hvordan grænsen kan føre til frigivelse af ilt ved højt tryk, hvilket kan føre til reduceret ydeevne," sagde Chan.
Eliminering af grænsen forhindrer iltudvikling, hvilket forbedrer katodens sikkerhed og cykliske stabilitet. Målinger af iltudvikling med APS og en avanceret lyskilde ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory bekræfter denne konklusion.
"Nu har vi retningslinjer, som batteriproducenter kan bruge til at fremstille katodematerialer, der ikke har nogen grænser og fungerer under højt tryk," sagde Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. 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。”"Retningslinjerne bør gælde for andre katodematerialer end NMC."
En artikel om denne undersøgelse dukkede op i tidsskriftet Nature Energy. Foruden Xu, Amin, Liu og Chang er Argonne-forfatterne 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 Ming Duo Zhou, og Zonghai Ming Duo Zhou. Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li og Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang og Shi-Gang Sun) og Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng og Mingao Ouyang).
Om Argonne Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, et af fem nanoteknologiske forskningscentre under det amerikanske energiministerium, er den førende nationale brugerinstitution for tværfaglig nanoskalaforskning, der støttes af det amerikanske energiministeriums Office of Science. Sammen danner NSRC'erne en række komplementære faciliteter, der giver forskere avancerede muligheder for at fremstille, forarbejdning, karakterisering og modellering af nanoskalamaterialer og repræsenterer den største infrastrukturinvestering under National Nanotechnology Initiative. NSRC er placeret ved det amerikanske energiministeriums nationale laboratorier i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mere information om NSRC DOE, besøg https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Det amerikanske energiministeriums avancerede fotonkilde (APS) på Argonne National Laboratory er en af ​​de mest produktive røntgenkilder i verden. APS leverer højintensitetsrøntgenstråler til et mangfoldigt forskningsmiljø inden for materialevidenskab, kemi, kondenseret stoffysik, bio- og miljøvidenskab og anvendt forskning. Disse røntgenstråler er ideelle til at studere materialer og biologiske strukturer, fordelingen af ​​grundstoffer, kemiske, magnetiske og elektroniske tilstande samt teknisk vigtige ingeniørsystemer af alle slags, fra batterier til brændstofindsprøjtningsdyser, som er afgørende for vores nationale økonomi, teknologi og krop – grundlaget for sundhed. Hvert år bruger mere end 5.000 forskere APS til at udgive mere end 2.000 publikationer, der beskriver vigtige opdagelser og løser vigtigere biologiske proteinstrukturer end brugere af noget andet røntgenforskningscenter. APS-forskere og -ingeniører implementerer innovative teknologier, der danner grundlag for at forbedre acceleratorers og lyskilders ydeevne. Dette omfatter inputenheder, der producerer ekstremt lysstærke røntgenstråler, som forskere værdsætter, linser, der fokuserer røntgenstråler ned til et par nanometer, instrumenter, der maksimerer den måde, røntgenstråler interagerer med den undersøgte prøve, og indsamling og håndtering af APS-opdagelser. Forskning genererer enorme datamængder.
Denne undersøgelse anvendte ressourcer fra Advanced Photon Source, et brugercenter under det amerikanske energiministerium, der drives af Argonne National Laboratory for det amerikanske energiministerium, Office of Science, under kontraktnummer DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory stræber efter at løse de presserende problemer inden for indenlandsk videnskab og teknologi. Som det første nationale laboratorium i USA udfører Argonne banebrydende grundforskning og anvendt forskning inden for stort set alle videnskabelige discipliner. Argonne-forskere arbejder tæt sammen med forskere fra hundredvis af virksomheder, universiteter og føderale, statslige og kommunale myndigheder for at hjælpe dem med at løse specifikke problemer, fremme amerikansk videnskabelig lederskab og forberede nationen på en bedre fremtid. Argonne beskæftiger medarbejdere fra over 60 lande og drives af UChicago Argonne, LLC under det amerikanske energiministeriums kontor for videnskab.
Det amerikanske energiministeriums kontor for videnskab er nationens største fortaler for grundforskning inden for fysik og arbejder på at løse nogle af de mest presserende problemer i vores tid. For mere information, besøg https://energy.gov/scienceience.