Ang mga mananaliksik sa Argonne National Laboratory ng US Department of Energy (DOE) ay may mahabang kasaysayan ng mga pangunguna sa pagtuklas sa larangan ng lithium-ion na mga baterya. Marami sa mga resultang ito ay para sa cathode ng baterya, na tinatawag na NMC, nickel manganese at cobalt oxide. Ang isang baterya na may ganitong cathode ay nagpapagana na ngayon sa Chevrolet Bolt.
Nakamit ng mga mananaliksik ng Argonne ang isa pang tagumpay sa mga katod ng NMC. Ang bagong maliit na istraktura ng cathode particle ng koponan ay maaaring gawing mas matibay at mas ligtas ang baterya, magagawang gumana sa napakataas na boltahe at magbigay ng mas mahabang hanay ng paglalakbay.
"Mayroon na kaming patnubay na magagamit ng mga tagagawa ng baterya para gumawa ng high-pressure, walang hangganang mga materyales ng cathode," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Ang mga kasalukuyang NMC cathode ay nagpapakita ng isang malaking hadlang para sa mataas na boltahe na trabaho," sabi ng assistant chemist na si Guiliang Xu. Sa pagbibisikleta ng charge-discharge, 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.
Ang isang paraan sa nakaraan ay gumamit ng maliliit na spherical na particle na binubuo ng maraming mas maliliit na particle. Ang malalaking spherical particle ay polycrystalline, na may mga mala-kristal na domain ng iba't ibang oryentasyon. Bilang resulta, mayroon silang tinatawag ng mga siyentipiko na mga hangganan ng butil sa pagitan ng mga particle, na maaaring maging sanhi ng pag-crack ng baterya sa panahon ng isang cycle. Upang maiwasan ito, ang mga kasamahan nina Xu at Argonne ay gumawa dati ng isang proteksiyon na polymer coating sa paligid ng bawat particle. Ang patong 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 pag-crack ay ang paggamit ng mga single crystal particle. Ang electron microscopy ng mga particle na ito ay nagpakita na wala silang mga hangganan.
Ang problema para sa koponan ay ang mga cathode na ginawa mula sa pinahiran na polycrystals at mga solong kristal ay basag pa rin habang nagbibisikleta. Samakatuwid, nagsagawa sila ng malawak na 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.
Ang iba't ibang pagsusuri sa x-ray ay isinagawa sa limang APS arm (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C at 34-ID-E). Lumalabas na ang inaakala ng mga siyentipiko ay isang solong kristal, tulad ng ipinakita ng electron at X-ray microscopy, ay talagang may hangganan sa loob. Ang pag-scan at paghahatid ng electron microscopy ng mga CNM ay nakumpirma ang konklusyon na ito.
"Nang tingnan natin ang morpolohiya sa ibabaw ng mga particle na ito, mukhang mga solong kristal 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是住界隐藏在内部。” 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 ，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 diskarte sa APS, nalaman namin na ang mga hangganan ay nakatago sa loob."
Mahalaga, ang koponan ay nakabuo ng isang paraan upang makagawa ng mga solong kristal na walang mga hangganan. Ang pagsubok sa maliliit na cell gamit ang single-crystal cathode na ito sa napakataas na boltahe ay nagpakita ng 25% na pagtaas sa imbakan ng enerhiya sa bawat dami ng yunit na halos walang pagkawala sa pagganap sa mahigit 100 na ikot ng pagsubok. Sa kaibahan, ang mga NMC cathode na binubuo ng mga multi-interface na solong kristal o pinahiran na polycrystals ay nagpakita ng pagbaba ng kapasidad na 60% hanggang 88% sa parehong buhay.
Ang mga kalkulasyon ng atomic scale ay nagpapakita ng mekanismo ng pagbawas ng kapasidad ng cathode. Ayon kay Maria Chang, isang nanoscientist sa CNM, ang mga hangganan ay mas malamang na mawalan ng mga atomo ng oxygen kapag na-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.
"Ang aming mga kalkulasyon ay nagpapakita kung paano ang hangganan ay maaaring humantong sa oxygen na inilabas sa mataas na presyon, na maaaring humantong sa pinababang pagganap," sabi ni Chan.
Ang pag-aalis ng hangganan ay pumipigil sa ebolusyon ng oxygen, sa gayon ay nagpapabuti sa kaligtasan at paikot na katatagan ng katod. Ang mga pagsukat ng oxygen evolution gamit ang APS at isang advanced na pinagmumulan ng liwanag sa Lawrence Berkeley National Laboratory ng US Department of Energy ay nagpapatunay sa konklusyong ito.
"Ngayon mayroon kaming mga alituntunin na magagamit ng mga tagagawa ng baterya upang gumawa ng mga materyales ng 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。”"Ang mga alituntunin ay dapat ilapat sa mga materyales ng 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 Du, at Zonghai Chen. 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 US Department of Energy nanotechnology research centers, ay ang pangunahing institusyon ng pambansang gumagamit para sa interdisciplinary nanoscale na pananaliksik na suportado ng US Department of Energy's Office of Science. Magkasama, ang mga NSRC ay bumubuo ng isang hanay ng mga pantulong na pasilidad na nagbibigay sa mga mananaliksik ng makabagong kakayahan para sa paggawa, pagproseso, pagkilala, at pagmomodelo ng mga nanoscale na materyales 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​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​.
Ang Advanced Photon Source (APS) ng Departamento ng Enerhiya ng US sa Argonne National Laboratory ay isa sa mga pinakaproduktibong pinagmumulan ng X-ray sa mundo. Ang APS ay nagbibigay ng mataas na intensidad na X-ray sa isang magkakaibang komunidad ng pananaliksik sa agham ng mga materyales, kimika, pisika ng condensed matter, mga 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, pamamahagi ng mga elemento, kemikal, magnetic at electronic na estado, at teknikal na mahahalagang sistema ng engineering ng lahat ng uri, mula sa mga baterya hanggang sa mga fuel injector nozzle, na mahalaga sa ating pambansang ekonomiya, teknolohiya. . at katawan Ang batayan ng kalusugan. Bawat taon, higit sa 5,000 mananaliksik ang gumagamit ng APS upang mag-publish ng higit sa 2,000 publikasyong nagdedetalye ng mahahalagang pagtuklas at paglutas ng mas mahahalagang istruktura ng biological na protina kaysa sa mga gumagamit ng anumang iba pang sentro ng pananaliksik sa 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 nakatutok sa mga X-ray hanggang sa ilang nanometer, mga instrumento na nag-maximize sa paraan ng pakikipag-ugnayan ng X-ray sa sample na pinag-aaralan, at ang pagkolekta at pamamahala ng mga natuklasan sa APS Ang pananaliksik ay bumubuo ng malalaking dami ng data.
Ang pag-aaral na ito ay gumamit ng mga mapagkukunan mula sa Advanced Photon Source, isang US Department of Energy Office of Science User Center na pinamamahalaan ng Argonne National Laboratory para sa US Department of Energy Office of Science sa ilalim ng contract number na DE-AC02-06CH11357.
Ang Argonne National Laboratory ay nagsusumikap na lutasin ang pagpindot sa mga problema ng domestic agham at teknolohiya. Bilang unang pambansang laboratoryo sa Estados Unidos, ang Argonne ay nagsasagawa ng cutting-edge na basic at inilapat na pananaliksik sa halos lahat ng siyentipikong disiplina. Ang mga mananaliksik ng Argonne ay malapit na nakikipagtulungan sa mga mananaliksik mula sa daan-daang kumpanya, unibersidad, at ahensya ng pederal, estado, at munisipyo upang tulungan silang malutas ang mga partikular na problema, isulong ang siyentipikong pamumuno ng US, at ihanda ang bansa para sa isang mas magandang kinabukasan. Ang Argonne ay gumagamit ng mga empleyado mula sa mahigit 60 bansa at pinamamahalaan ng UChicago Argonne, LLC ng Opisina ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos.
Ang Opisina ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos ay ang pinakamalaking tagapagtaguyod ng pangunahing pananaliksik sa mga pisikal na agham ng bansa, na nagsisikap na tugunan ang ilan sa mga pinaka-pinakapilit na isyu sa ating panahon. Para sa karagdagang impormasyon, bisitahin ang https://energy.gov/science.ience.