Forskere ved det amerikanske energi (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrydende opdagelser inden for lithium-ion-batterier. Mange af disse resultater er til batterikatoden, kaldet NMC, nikkel mangan og koboltoxid. Et batteri med denne katode driver nu Chevrolet Bolt.
Argonne -forskere har opnået et andet gennembrud i NMC -katoder. Holdets nye lille katodepartikelstruktur kunne gøre batteriet mere holdbart og sikrere, i stand til at fungere ved meget høje spændinger og give længere rejseområder.
”Vi har nu vejledning, som batteriproducenter kan bruge til at fremstille højtryks, grænseløse katodematerialer,” Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
”Eksisterende NMC -katoder udgør en vigtig hindring for højspændingsarbejde,” sagde assisterende kemiker Guiliang Xu. Med opladningsudladningscykling falder ydelsen hurtigt på grund af dannelsen af ​​revner i katodepartiklerne. I årtier har batteriforskere været på udkig efter måder at reparere disse revner på.
En metode tidligere anvendte små sfæriske partikler sammensat af mange meget mindre partikler. Store sfæriske partikler er polykrystallinske med krystallinske domæner af forskellige orienteringer. Som et resultat har de, hvad forskere kalder korngrænser mellem partikler, hvilket kan få batteriet til at knække 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 i dem.
En anden måde at undgå denne form for revner er at bruge enkeltkrystallpartikler. Elektronmikroskopi af disse partikler viste, at de ikke har nogen grænser.
Problemet for teamet var, at katoder lavet af coatede polykrystaller og enkeltkrystaller stadig knækkede under cykling. Derfor gennemførte de omfattende analyse af disse katodematerialer ved Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) ved det amerikanske Department of Energy's 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 forskere troede var en enkelt krystal, som vist ved elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk havde en grænse inde. Scanning og transmissionselektronmikroskopi af CNM'er bekræftede denne konklusion.
”Da vi kiggede på overflademorfologien af ​​disse partikler, så de ud som enkeltkrystaller,” sagde fysiker 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 的 技术 和 其他 ， ， 我们 发现 边界 隐藏 隐藏 在。 在。 在。 和 我们 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 和 发现 我们 发现 发现 隐藏 隐藏 在。 在。 我们 发现 发现 发现 边界 隐藏 在。 在。 隐藏 发现 我们 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 和 发现 我们 发现 发现 边界 隐藏 在。 在。 我们 我们 我们 发现 发现 边界 隐藏”Da vi anvendte en teknik kaldet Synchrotron røntgenstrålediffraktionsmikroskopi og andre teknikker ved APS, fandt vi imidlertid, at grænserne var skjult inde.”
Det er vigtigt, at teamet har udviklet en metode til at producere enkeltkrystaller uden grænser. Test af små celler med denne enkeltkrystallkatode ved meget høje spændinger viste en stigning på 25% i energilagring pr. Enhedsvolumen uden stort set intet tab i ydelsen over 100 testcyklusser. I modsætning hertil viste NMC-katoder sammensat af multi-interface enkeltkrystaller eller coatede polykrystaller et kapacitetsfald på 60% til 88% i løbet af den samme levetid.
Beregninger af atomskala afslører mekanismen for reduktion af katodekapacitans. Ifølge Maria Chang, en nanovidenskabsmand ved CNM, er der mere sandsynligt, at grænser mister iltatomer, når batteriet er opladet end områder længere væk fra dem. Dette tab af ilt fører til nedbrydning af cellecyklussen.
”Vores beregninger viser, hvordan grænsen kan føre til, at ilt frigives ved højt tryk, hvilket kan føre til reduceret ydelse,” sagde Chan.
Fjernelse af grænsen forhindrer iltudvikling og forbedrer derved katodens sikkerhed og cykliske stabilitet. Målinger af iltudvikling med APS og en avanceret lyskilde ved det amerikanske Energi Department of Energy's 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 ved højt tryk,” sagde Khalil Amin, Argonne -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。”"Retningslinjer skal 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 -forfattere Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hen Hang, Chengjun Du og Zonghai Chen. 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 amerikanske Institut for Energi Nanotechnology Research Centers, er den førende nationale brugerinstitution for tværfaglig nanoskala -forskning, der understøttes af det amerikanske energi -afdeling for videnskab. Sammen danner NSRC'er en pakke med komplementære faciliteter, der giver forskere avancerede kapaciteter til fremstilling af, behandling, karakterisering og modellering af nanoskala-materialer og repræsenterer de største infrastrukturinvesteringer under National Nanotechnology Initiative. NSRC ligger ved det amerikanske Department of Energy National Laboratories i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mere information om NSRC DOE, kan du besøge https: // videnskab .osti .gov/os er-f a c i lit dvs.
Det amerikanske Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) på Argonne National Laboratory er en af ​​de mest produktive røntgenkilder i verden. APS leverer røntgenbilleder med høj intensitet til et forskelligartet forskningsfællesskab inden for materialevidenskab, kemi, kondenseret stoffysik, liv og miljøvidenskab og anvendt forskning. Disse røntgenstråler er ideelle til at studere materialer og biologiske strukturer, fordelingen af ​​elementer, kemiske, magnetiske og elektroniske tilstande og teknisk vigtige ingeniørsystemer af alle slags, fra batterier til brændstofinjektordyser, som er vigtige for vores nationale økonomi, teknologi. og krop grundlaget for sundhed. Hvert år bruger mere end 5.000 forskere AP'er til at offentliggøre mere end 2.000 publikationer, der beskriver vigtige opdagelser og løse mere vigtige biologiske proteinstrukturer end brugere af noget andet røntgenforskningscenter. APS -forskere og ingeniører implementerer innovative teknologier, der er grundlaget for at forbedre ydeevnen for acceleratorer og lyskilder. Dette inkluderer inputenheder, der producerer ekstremt lyse røntgenstråler, der er værdsat af forskere, linser, der fokuserer røntgenstråler ned til et par nanometre, instrumenter, der maksimerer den måde, røntgenstråler interagerer med prøven, der undersøges, og indsamling og styring af APS-opdagelsesforskning genererer enorme datamængder.
Denne undersøgelse anvendte ressourcer fra Advanced Photon Source, et amerikansk Institut for Energi Office of Science User Center, der drives af Argonne National Laboratory for US Department of Energy Office of Science under kontraktnummer DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory bestræber sig på at løse de presserende problemer inden for indenlandsk videnskab og teknologi. Som det første nationale laboratorium i USA gennemfører Argonne banebrydende grundlæggende og anvendt forskning inden for stort set enhver videnskabelig disciplin. Argonne -forskere arbejder tæt sammen med forskere fra hundreder af virksomheder, universiteter og føderale, statslige og kommunale agenturer for at hjælpe dem med at løse specifikke problemer, fremme amerikansk videnskabelig ledelse og forberede nationen til en bedre fremtid. Argonne beskæftiger medarbejdere fra over 60 lande og drives af Uchicago Argonne, LLC fra det amerikanske Department of Energy's Office of Science.
Kontoret for videnskab for det amerikanske energiministerium er nationens største talsmand for grundlæggende forskning inden for fysiske videnskaber, der arbejder for at tackle nogle af de mest presserende spørgsmål i vores tid. For mere information, se https: // Energy .gov/Science Ience.