Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrydende opdagelser inden for lithium-ion-batterier. Mange af disse resultater er for batterikatoden, kaldet NMC, nikkelmangan og koboltoxid. Et batteri med denne katode driver nu Chevrolet Bolt.
Argonne-forskere har opnået endnu et gennembrud inden for 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 lave højtryks-, kantløse katodematerialer," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Eksisterende NMC-katoder udgør en stor hindring for højspændingsarbejde," sagde assisterende kemiker Guiliang Xu. Med ladnings-afladningscyklus 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 i fortiden brugte bittesmå sfæriske partikler sammensat af mange meget mindre partikler. Store sfæriske partikler er polykrystallinske med krystallinske domæner med forskellige orienteringer. Som et resultat har de, hvad forskerne kalder korngrænser mellem partikler, som 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 er at bruge enkeltkrystalpartikler. Elektronmikroskopi af disse partikler viste, at de ikke har nogen grænser.
Problemet for holdet var, at katoder lavet af coatede polykrystaller og enkeltkrystaller stadig revnede under cykling. Derfor udførte de omfattende analyser af disse katodematerialer ved Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) ved 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 hvad forskerne troede var en enkelt krystal, som vist ved elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk havde en grænse indeni. Scanning og transmissionselektronmikroskopi af CNM'er bekræftede denne konklusion.
"Da vi så på overflademorfologien af ​​disse partikler, lignede de 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 射线衍射显微镜皻倌木微镜皻倌朌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 显微镜 的 时 口们 发现 边界 隐藏 在。”"Men da vi brugte en teknik kaldet synkrotron røntgendiffraktionsmikroskopi og andre teknikker på APS, fandt vi ud af, at grænserne var skjult indeni."
Det er vigtigt, at holdet har udviklet en metode til at producere enkeltkrystaller uden grænser. Test af små celler med denne enkeltkrystal katode ved meget høje spændinger viste en stigning på 25 % i energilagring pr. volumenhed med praktisk talt intet tab i ydeevne over 100 testcyklusser. I modsætning hertil viste NMC-katoder sammensat af multi-interface enkeltkrystaller eller coatede polykrystaller et kapacitetsfald på 60% til 88% over den samme levetid.
Atomskalaberegninger afslører mekanismen for katodekapacitansreduktion. 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 nedbrydning af cellecyklussen.
"Vores beregninger viser, hvordan grænsen kan føre til, at ilt frigives ved højt tryk, hvilket kan føre til nedsat ydeevne," sagde Chan.
Eliminering af grænsen forhindrer iltudvikling og forbedrer derved katodens sikkerhed og cykliske stabilitet. Oxygenudviklingsmålinger 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 lave katodematerialer, der ikke har nogen grænser og fungerer ved 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。”"Retningslinjer bør gælde for andre katodematerialer end NMC."
En artikel om denne undersøgelse dukkede op i tidsskriftet Nature Energy. Ud over 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 Sun, Tao Zhou, Ming 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 US Department of Energys nanoteknologiforskningscentre, er den førende nationale brugerinstitution for tværfaglig forskning i nanoskala støttet af US Department of Energy's Office of Science. Sammen danner NSRC'er en pakke af komplementære faciliteter, der giver forskere avanceret kapacitet til at fremstille, bearbejde, karakterisere og modellere materialer i nanoskala og repræsentere den største infrastrukturinvestering under National Nanotechnology Initiative. NSRC er placeret på US Department of Energy National Laboratories i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. For mere information om NSRC DOE, besøg https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​ilit​​​​ie​s​/​Us ​er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​​​​​.
Det amerikanske energiministeriums Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory er en af ​​de mest produktive røntgenkilder i verden. APS leverer højintensive røntgenstråler til et mangfoldigt forskningssamfund inden for materialevidenskab, kemi, kondenseret stoffysik, livs- og miljøvidenskab og anvendt forskning. Disse røntgenstråler er ideelle til at studere materialer og biologiske strukturer, fordelingen af ​​grundstoffer, kemiske, magnetiske og elektroniske tilstande og teknisk vigtige tekniske systemer af enhver art, fra batterier til brændstofinjektordyser, 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 videnskabsmænd og ingeniører implementerer innovative teknologier, der er grundlaget for at forbedre ydeevnen af ​​acceleratorer og lyskilder. Dette inkluderer inputenheder, der producerer ekstremt klare røntgenstråler værdsat af forskere, linser, der fokuserer røntgenstråler ned til et par nanometer, instrumenter, der maksimerer den måde, røntgenstråler interagerer med prøven under undersøgelse, og indsamling og styring af APS-opdagelser Forskning genererer enorme datamængder.
Denne undersøgelse brugte ressourcer fra Advanced Photon Source, et US Department of Energy 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 stræber efter at løse de presserende problemer inden for indenlandsk videnskab og teknologi. Som det første nationale laboratorium i USA udfører Argonne banebrydende grundlæggende 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 agenturer for at hjælpe dem med at løse specifikke problemer, fremme amerikansk videnskabelig ledelse og forberede nationen på en bedre fremtid. Argonne beskæftiger medarbejdere fra over 60 lande og drives af UChicago Argonne, LLC fra US Department of Energy's Office of Science.
Office of Science i det amerikanske energiministerium er landets største fortaler for grundforskning i de fysiske videnskaber, der arbejder på at løse nogle af de mest presserende spørgsmål i vor tid. For mere information, besøg https://​energy​.gov/​science​ience.