Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoilla on pitkä historia uraauurtavista löydöistä litiumioniakkujen alalla. Monet näistä tuloksista koskevat akun katodia, nimeltään NMC, nikkelimangaania ja kobolttioksidia. Tällä katodilla varustettu akku toimii nyt Chevrolet Boltissa.
Argonnen tutkijat ovat saavuttaneet uuden läpimurron NMC-katodeissa. Tiimin uusi pieni katodihiukkasrakenne voisi tehdä akusta kestävämmän ja turvallisemman, pystyy toimimaan erittäin korkeilla jännitteillä ja tarjoamaan pidemmät matka-alueet.
"Meillä on nyt ohjeita, joita akkujen valmistajat voivat käyttää korkeapaineisten, reunattomien katodimateriaalien valmistamiseen", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Olemassa olevat NMC-katodit muodostavat suuren esteen suurjännitetyölle", sanoi apukemisti Guiliang Xu. Varaus-purkaussyklissä suorituskyky laskee nopeasti, koska katodihiukkasiin muodostuu halkeamia. Akkututkijat ovat vuosikymmenten ajan etsineet tapoja korjata nämä halkeamat.
Eräässä menneisyydessä menetelmässä käytettiin pieniä pallomaisia ​​hiukkasia, jotka koostuivat monista paljon pienemmistä hiukkasista. Suuret pallomaiset hiukkaset ovat monikiteisiä, ja niissä on eri suuntaisia ​​kiteisiä domeeneja. Seurauksena on, että heillä on tutkijoiden kutsumat raeraajat hiukkasten välillä, mikä voi aiheuttaa akun halkeilun syklin aikana. Tämän estämiseksi Xu ja Argonnen kollegat olivat aiemmin kehittäneet suojaavan polymeeripinnoitteen jokaisen hiukkasen ympärille. Tämä pinnoite ympäröi suuria pallomaisia ​​hiukkasia ja pienempiä hiukkasia niiden sisällä.
Toinen tapa välttää tällainen halkeilu on käyttää yksikidehiukkasia. Näiden hiukkasten elektronimikroskopia osoitti, että niillä ei ole rajoja.
Ryhmän ongelmana oli, että päällystetyistä monikiteistä ja yksittäisistä kiteistä tehdyt katodit halkesivat edelleen pyöräilyn aikana. Siksi he suorittivat näiden katodimateriaalien laajan analyysin Yhdysvaltain energiaministeriön Argonnen tiedekeskuksessa Advanced Photon Source (APS) ja Center for Nanomaterials (CNM) -keskuksessa.
Erilaisia ​​röntgenanalyysejä suoritettiin viidelle APS-haaralle (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ja 34-ID-E). Osoittautuu, että sillä, mitä tutkijat pitivät yksittäiskiteenä, kuten elektroni- ja röntgenmikroskoopilla havaittiin, oli itse asiassa rajansa sisällä. CNM:ien pyyhkäisy- ja transmissioelektronimikroskooppi vahvisti tämän päätelmän.
"Kun tarkastelimme näiden hiukkasten pintamorfologiaa, ne näyttivät yksittäiskiteiltä", sanoi fyysikko 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木微镜的技步加速器X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 在 在 微 镜 的 抒 微 镜 的 技们 发现 边界 隐藏 在。”"Kuitenkin kun käytimme synkrotroniröntgendiffraktiomikroskopiaksi kutsuttua tekniikkaa ja muita APS:n tekniikoita, huomasimme, että rajat olivat piilossa sisällä."
Tärkeää on, että tiimi on kehittänyt menetelmän yksittäiskiteiden tuottamiseksi ilman rajoja. Pienten kennojen testaus tällä yksikiteisellä katodilla erittäin korkeilla jännitteillä osoitti 25 %:n kasvun energian varastoinnissa tilavuusyksikköä kohti ilman, että suorituskyky hävisi käytännössä 100 testisyklin aikana. Sitä vastoin NMC-katodit, jotka koostuivat monirajapintaisista yksittäiskiteistä tai päällystetyistä monikiteistä, osoittivat kapasiteetin laskua 60 %:sta 88 %:iin saman käyttöiän aikana.
Atomimittakaavalaskelmat paljastavat katodin kapasitanssin pienenemisen mekanismin. CNM:n nanotieteilijän Maria Changin mukaan rajat menettävät todennäköisemmin happiatomeja, kun akku ladataan, kuin alueet kauempana niistä. Tämä hapen menetys johtaa solusyklin hajoamiseen.
"Laskelmamme osoittavat, kuinka raja voi johtaa hapen vapautumiseen korkeassa paineessa, mikä voi johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen", Chan sanoi.
Rajan poistaminen estää hapen kehittymisen, mikä parantaa katodin turvallisuutta ja syklistä vakautta. Yhdysvaltain energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion APS:n ja edistyneen valonlähteen avulla tehdyt hapen evoluutiomittaukset vahvistavat tämän päätelmän.
"Nyt meillä on ohjeita, joita akkujen valmistajat voivat käyttää katodimateriaalien valmistamiseen, joilla ei ole rajoja ja jotka toimivat korkeassa paineessa", sanoi Khalil Amin, Argonnen 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。”"Ohjeita tulee soveltaa muihin katodimateriaaleihin kuin NMC:hen."
Tästä tutkimuksesta julkaistu artikkeli Nature Energy -lehdessä. Xun, Aminin, Liun ja Changin lisäksi Argonnen kirjoittajat ovat 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 ja Zonghai Chen. Tutkijat Lawrence Berkeleyn kansallisesta laboratoriosta (Wanli Yang, Qingtian Li ja Zengqing Zhuo), Xiamenin yliopistosta (Jing-Jing Fan, Ling Huang ja Shi-Gang Sun) ja Tsinghuan yliopistosta (Dongsheng Ren, Xuning Feng ja Mingao Ouyang).
Tietoja Argonnen nanomateriaalikeskuksesta Center for Nanomaterials, yksi viidestä Yhdysvaltain energiaministeriön nanoteknologian tutkimuskeskuksesta, on johtava kansallinen monitieteisen nanomittakaavatutkimuksen käyttäjälaitos, jota tukee Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto. Yhdessä NSRC:t muodostavat joukon toisiaan täydentäviä laitteita, jotka tarjoavat tutkijoille huippuluokan valmiuksia nanomittakaavan materiaalien valmistukseen, käsittelyyn, karakterisointiin ja mallintamiseen ja ovat suurin kansallisen nanoteknologia-aloitteen infrastruktuuriinvestointi. NSRC sijaitsee Yhdysvaltain energiaministeriön kansallisissa laboratorioissa Argonnessa, Brookhavenissa, Lawrence Berkeleyssä, Oak Ridgessä, Sandiassa ja Los Alamosissa. Lisätietoja NSRC DOE:stä on osoitteessa https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/​Us er​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​
Yhdysvaltain energiaministeriön Advanced Photon Source (APS) Argonnen kansallisessa laboratoriossa on yksi tuottavimmista röntgenlähteistä maailmassa. APS tarjoaa korkean intensiteetin röntgensäteitä monipuoliselle tutkimusyhteisölle materiaalitieteen, kemian, kondensoituneen aineen fysiikan, bio- ja ympäristötieteiden sekä soveltavan tutkimuksen aloilla. Nämä röntgensäteet ovat ihanteellisia materiaalien ja biologisten rakenteiden, alkuaineiden jakautumisen, kemiallisten, magneettisten ja elektronisten tilojen sekä kaikenlaisten teknisesti tärkeiden teknisten järjestelmien tutkimiseen akuista polttoaineen ruiskutussuuttimiin, jotka ovat elintärkeitä kansantaloudellemme, teknologiallemme. . ja keho Terveyden perusta. Joka vuosi yli 5 000 tutkijaa käyttää APS:ää julkaistakseen yli 2 000 julkaisua, joissa käsitellään tärkeitä löytöjä ja ratkaisevat tärkeämpiä biologisia proteiinirakenteita kuin minkään muun röntgentutkimuskeskuksen käyttäjät. APS:n tutkijat ja insinöörit ottavat käyttöön innovatiivisia teknologioita, jotka ovat perusta kiihdyttimien ja valonlähteiden suorituskyvyn parantamiselle. Tämä sisältää syöttölaitteet, jotka tuottavat erittäin kirkkaita tutkijoiden arvostamia röntgensäteitä, linssit, jotka tarkentavat röntgensäteet muutamaan nanometriin asti, instrumentit, jotka maksimoivat tavan, jolla röntgensäteet ovat vuorovaikutuksessa tutkittavan näytteen kanssa, sekä APS-löytöjen kerääminen ja hallinta. Tutkimus tuottaa valtavia tietomääriä.
Tässä tutkimuksessa käytettiin resursseja Advanced Photon Sourcesta, Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston käyttäjäkeskuksesta, jota ylläpitää Argonne National Laboratory Yhdysvaltain energiaministeriön tiedevirastolle sopimusnumerolla DE-AC02-06CH11357.
Argonnen kansallinen laboratorio pyrkii ratkaisemaan kotimaisen tieteen ja teknologian kiireellisiä ongelmia. Yhdysvaltain ensimmäisenä kansallisena laboratoriona Argonne suorittaa huippuluokan perus- ja soveltavaa tutkimusta lähes kaikilla tieteenaloilla. Argonnen tutkijat tekevät tiivistä yhteistyötä satojen yritysten, yliopistojen ja liittovaltion, osavaltion ja kunnallisten virastojen tutkijoiden kanssa auttaakseen heitä ratkaisemaan tiettyjä ongelmia, edistämään Yhdysvaltain tieteellistä johtajuutta ja valmistamaan kansakuntaa parempaan tulevaisuuteen. Argonne työllistää työntekijöitä yli 60 maasta, ja sitä ylläpitää UChicago Argonne, LLC Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimistosta.
Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto on maan suurin fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen kannattaja, ja se pyrkii käsittelemään joitain aikamme kiireellisimpiä kysymyksiä. Lisätietoja on osoitteessa https://​energy​.gov/​science​ience.