Ang mga mananaliksik sa Argonne National Laboratory ng US Department of Energy (DOE) ay may mahabang kasaysayan ng mga nangungunang tuklas sa larangan ng mga bateryang lithium-ion. Marami sa mga resultang ito ay para sa cathode ng baterya, na tinatawag na NMC, nickel manganese at cobalt oxide. Isang baterya na may ganitong cathode ang nagpapagana ngayon sa Chevrolet Bolt.
Nakamit ng mga mananaliksik ng Argonne ang isa pang tagumpay sa mga NMC cathode. Ang bagong maliit na istruktura ng particle ng cathode ng koponan ay maaaring gawing mas matibay at mas ligtas ang baterya, kayang gumana sa napakataas na boltahe at magbigay ng mas mahabang saklaw ng paglalakbay.
"Mayroon na tayong gabay na magagamit ng mga tagagawa ng baterya upang gumawa ng mga materyales na cathode na may mataas na presyon at walang hangganan," sabi ni Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Ang mga umiiral na NMC cathode ay nagtatanghal ng isang malaking balakid para sa mataas na boltaheng trabaho,” sabi ng assistant chemist na si Guiliang Xu. Dahil sa charge-discharge cycling, mabilis na bumababa ang performance dahil sa pagbuo ng mga bitak sa mga particle ng cathode. Sa loob ng mga dekada, ang mga mananaliksik ng baterya ay naghahanap ng mga paraan upang ayusin ang mga bitak na ito.
Isang pamamaraan noon ang gumamit ng maliliit na spherical particle na binubuo ng maraming mas maliliit na particle. Ang malalaking spherical particle ay polycrystalline, na may mga crystalline domain na may iba't ibang oryentasyon. Bilang resulta, mayroon silang tinatawag ng mga siyentipiko na grain boundaries sa pagitan ng mga particle, na maaaring maging sanhi ng pagbitak ng baterya sa panahon ng isang cycle. Upang maiwasan ito, ang mga kasamahan nina Xu at Argonne ay dati nang nakabuo ng isang protective polymer coating sa paligid ng bawat particle. Ang coating na ito ay pumapalibot sa malalaking spherical particle at mas maliliit na particle sa loob ng mga ito.
Ang isa pang paraan upang maiwasan ang ganitong uri ng pagbibitak ay ang paggamit ng mga single crystal particle. Ipinakita ng electron microscopy ng mga particle na ito na wala silang mga hangganan.
Ang problema para sa pangkat ay ang mga cathode na gawa sa mga pinahiran na polycrystal at mga single crystal ay nababasag pa rin habang ginagamit. Samakatuwid, nagsagawa sila ng malawakang pagsusuri sa mga materyales na ito ng cathode sa Advanced Photon Source (APS) at Center for Nanomaterials (CNM) sa Argonne Science Center ng US Department of Energy.
Iba't ibang pagsusuri ng x-ray ang isinagawa sa limang braso ng APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C at 34-ID-E). Lumalabas na ang inakala ng mga siyentipiko na isang kristal, gaya ng ipinakita ng electron at X-ray microscopy, ay mayroon palang hangganan sa loob. Kinumpirma ng scanning at transmission electron microscopy ng mga CNM ang konklusyong ito.
"Nang tiningnan namin ang morpolohiya sa ibabaw ng mga particle na ito, mukhang mga kristal lang ang mga ito," sabi ng physicist na si 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 ，发现 边界 隐藏 在。”"Gayunpaman, nang gumamit kami ng isang pamamaraan na tinatawag na synchrotron X-ray diffraction microscopy at iba pang mga pamamaraan sa APS, natuklasan namin na ang mga hangganan ay nakatago sa loob."
Mahalaga, ang pangkat ay nakabuo ng isang paraan upang makagawa ng mga single crystal na walang hangganan. Ang pagsubok sa maliliit na selula gamit ang single-crystal cathode na ito sa napakataas na boltahe ay nagpakita ng 25% na pagtaas sa imbakan ng enerhiya bawat unit volume na halos walang pagkawala sa pagganap sa loob ng 100 test cycle. Sa kabaligtaran, ang mga NMC cathode na binubuo ng multi-interface single crystals o coated polycrystals ay nagpakita ng pagbaba ng kapasidad na 60% hanggang 88% sa parehong lifetime.
Ipinapakita ng mga kalkulasyon ng atomic scale ang mekanismo ng pagbawas ng cathode capacitance. Ayon kay Maria Chang, isang nanoscientist sa CNM, mas malamang na mawalan ng mga atomo ng oxygen ang mga hangganan kapag naka-charge ang baterya kaysa sa mga lugar na mas malayo sa kanila. Ang pagkawala ng oxygen na ito ay humahantong sa pagkasira ng cell cycle.
"Ipinapakita ng aming mga kalkulasyon kung paano maaaring humantong ang hangganan sa paglabas ng oxygen sa mataas na presyon, na maaaring humantong sa pinababang pagganap," sabi ni Chan.
Ang pag-aalis ng hangganan ay pumipigil sa ebolusyon ng oksiheno, sa gayon ay nagpapabuti sa kaligtasan at paikot na katatagan ng katodo. Kinukumpirma ng mga sukat ng ebolusyon ng oksiheno gamit ang APS at isang advanced na pinagmumulan ng liwanag sa Lawrence Berkeley National Laboratory ng Kagawaran ng Enerhiya ng US ang konklusyong ito.
"Ngayon ay mayroon na tayong mga alituntunin na magagamit ng mga tagagawa ng baterya upang gumawa ng mga materyales na cathode na walang mga hangganan at gumagana sa mataas na presyon," sabi ni 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。”"Dapat ilapat ang mga alituntunin sa mga materyales na cathode maliban sa NMC."
Ang isang artikulo tungkol sa pag-aaral na ito ay lumabas sa journal Nature Energy. Bilang karagdagan sa Xu, Amin, Liu at Chang, ang mga may-akda ng Argonne ay sina 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 Chen Du, at Zonghai. Mga siyentipiko mula sa Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li, at Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan , Ling Huang at Shi-Gang Sun) at Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng at Mingao Ouyang).
Tungkol sa Argonne Center for Nanomaterials Ang Center for Nanomaterials, isa sa limang sentro ng pananaliksik sa nanotechnology ng US Department of Energy, ang nangungunang pambansang institusyon ng gumagamit para sa interdisiplinaryong pananaliksik sa nanoscale na sinusuportahan ng Tanggapan ng Agham ng US Department of Energy. Sama-sama, ang mga NSRC ay bumubuo ng isang suite ng mga komplementaryong pasilidad na nagbibigay sa mga mananaliksik ng mga makabagong kakayahan para sa paggawa, pagproseso, paglalarawan, at pagmomodelo ng mga materyales na nanoscale at kumakatawan sa pinakamalaking pamumuhunan sa imprastraktura sa ilalim ng National Nanotechnology Initiative. Ang NSRC ay matatagpuan sa US Department of Energy National Laboratories sa Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, at Los Alamos. Para sa karagdagang impormasyon tungkol sa NSRC DOE, bisitahin ang 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.
Ang Advanced Photon Source (APS) ng US Department of Energy sa Argonne National Laboratory ay isa sa mga pinakaproduktibong pinagmumulan ng X-ray sa mundo. Ang APS ay nagbibigay ng mga high-intensity X-ray sa magkakaibang komunidad ng pananaliksik sa agham ng materyales, kimika, pisika ng condensed matter, agham sa buhay at kapaligiran, at inilapat na pananaliksik. Ang mga X-ray na ito ay mainam para sa pag-aaral ng mga materyales at biological na istruktura, ang distribusyon ng mga elemento, kemikal, magnetic at electronic na estado, at teknikal na mahahalagang sistema ng inhinyeriya ng lahat ng uri, mula sa mga baterya hanggang sa mga nozzle ng fuel injector, na mahalaga sa ating pambansang ekonomiya, teknolohiya, at katawan. Ang batayan ng kalusugan. Bawat taon, mahigit sa 5,000 mananaliksik ang gumagamit ng APS upang maglathala ng mahigit sa 2,000 publikasyon na nagdedetalye ng mahahalagang tuklas at paglutas ng mas mahahalagang istruktura ng biological na protina kaysa sa mga gumagamit ng anumang iba pang sentro ng pananaliksik ng X-ray. Ang mga siyentipiko at inhinyero ng APS ay nagpapatupad ng mga makabagong teknolohiya na siyang batayan para sa pagpapabuti ng pagganap ng mga accelerator at light source. Kabilang dito ang mga input device na gumagawa ng napakaliwanag na X-ray na pinahahalagahan ng mga mananaliksik, mga lente na nagpo-focus ng mga X-ray hanggang sa ilang nanometer, mga instrumentong nagpapalaki sa paraan ng pakikipag-ugnayan ng mga X-ray sa sample na pinag-aaralan, at ang pangongolekta at pamamahala ng mga natuklasan sa APS. Ang pananaliksik ay bumubuo ng napakalaking volume ng datos.
Gumamit ang pag-aaral na ito ng mga mapagkukunan mula sa Advanced Photon Source, isang US Department of Energy Office of Science User Center na pinapatakbo ng Argonne National Laboratory para sa US Department of Energy Office of Science sa ilalim ng numero ng kontrata na DE-AC02-06CH11357.
Ang Argonne National Laboratory ay nagsusumikap na lutasin ang mga apurahang problema ng agham at teknolohiya sa loob ng bansa. Bilang unang pambansang laboratoryo sa Estados Unidos, ang Argonne ay nagsasagawa ng makabagong basic at applied research sa halos bawat disiplinang siyentipiko. Ang mga mananaliksik ng Argonne ay malapit na nakikipagtulungan sa mga mananaliksik mula sa daan-daang kumpanya, unibersidad, at mga ahensya ng pederal, estado, at munisipalidad upang matulungan silang malutas ang mga partikular na problema, isulong ang pamumuno sa agham ng US, at ihanda ang bansa para sa isang mas magandang kinabukasan. Ang Argonne ay nag-eempleyo ng mga empleyado mula sa mahigit 60 bansa at pinapatakbo ng UChicago Argonne, LLC ng Tanggapan ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya ng US.
Ang Tanggapan ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos ang pinakamalaking tagapagtaguyod ng bansa ng pangunahing pananaliksik sa mga agham pisikal, na nagsusumikap na tugunan ang ilan sa mga pinakamabigat na isyu sa ating panahon. Para sa karagdagang impormasyon, bisitahin ang https://energy.gov/scienceience.