Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoilla on pitkä historia uraauurtavista löydöistä litiumioniakkujen alalla. Monet näistä tuloksista koskevat akun katodia, jota kutsutaan NMC:ksi, nikkeli-mangaaniksi ja kobolttioksidiksi. Tällä katodilla varustettu akku käyttää nyt Chevrolet Boltia.
Argonnen tutkijat ovat saavuttaneet uuden läpimurron NMC-katodeissa. Tiimin uusi pienikokoinen katodihiukkasrakenne voisi tehdä akusta kestävämmän ja turvallisemman, kykenevän toimimaan erittäin korkeilla jännitteillä ja tarjoamaan pidempiä toimintasäteitä.
”Meillä on nyt ohjeita, joita akkuvalmistajat voivat käyttää korkeapaineisten, reunattomien katodimateriaalien valmistukseen”, Khalil Amin, Argonnen emeritusjäsen.
”Nykyiset NMC-katodit ovat merkittävä este korkeajännitteisissä töissä”, sanoo apulaiskomisti Guiliang Xu. Varaus-purkausjaksojen aikana suorituskyky laskee nopeasti katodihiukkasiin muodostuvien halkeamien vuoksi. Akkututkijat ovat vuosikymmenten ajan etsineet tapoja korjata nämä halkeamat.
Yhdessä aiemmin käytetyssä menetelmässä käytettiin pieniä pallomaisia ​​hiukkasia, jotka koostuivat monista paljon pienemmistä hiukkasista. Suuret pallomaiset hiukkaset ovat polykiteisiä, ja niiden kiteiset domeenit ovat eri orientaatioissa. Tämän seurauksena niillä on hiukkasten välillä niin sanottuja raerajoja, jotka voivat aiheuttaa akun halkeamisen lataussyklin aikana. Tämän estämiseksi Xu ja Argonnen kollegat olivat aiemmin kehittäneet suojaavan polymeeripinnoitteen jokaisen hiukkasen ympärille. Tämä pinnoite ympäröi suuria pallomaisia ​​hiukkasia ja niiden sisällä olevia pienempiä hiukkasia.
Toinen tapa välttää tällaista halkeilua on käyttää yksittäisiä kidehiukkasia. Näiden hiukkasten elektronimikroskopia osoitti, ettei niillä ole rajoja.
Tiimin ongelmana oli, että pinnoitetuista polykiteistä ja yksittäisistä kiteistä valmistetut katodit halkeilivat edelleen syklin aikana. Siksi he suorittivat laajan analyysin näistä katodimateriaaleista Yhdysvaltain energiaministeriön Argonne Science Centerin Advanced Photon Source (APS) ja Center for Nanomaterials (CNM) -keskuksessa.
Viidelle APS-haaralle (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ja 34-ID-E) tehtiin erilaisia ​​röntgenanalyysejä. Kävi ilmi, että elektroni- ja röntgenmikroskopialla osoitetulla yksittäisellä kiteellä oli itse asiassa sisäinen raja. CNM-kristallin pyyhkäisy- ja läpäisyelektronimikroskopia vahvistivat tämän päätelmän.
"Kun tarkastelimme näiden hiukkasten pintamorfologiaa, ne näyttivät yksittäisiltä kiteiltä", 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 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Kun kuitenkin käytimme synkrotroniröntgendiffraktiomikroskopiaa ja muita APS:n tekniikoita, havaitsimme, että rajat olivat piilossa sisäpuolella."
Merkittävää on, että tiimi on kehittänyt menetelmän yksittäisten kiteiden tuottamiseksi ilman rajoja. Pienten kennojen testaaminen tällä yksikiteisellä katodilla erittäin korkeilla jännitteillä osoitti 25 prosentin kasvun energian varastoinnissa tilavuusyksikköä kohden käytännössä ilman suorituskyvyn heikkenemistä 100 testisyklin aikana. Sitä vastoin monirajapintaisista yksittäiskiteistä tai pinnoitetuista polykiteistä koostuvien NMC-katodien kapasiteetti laski 60–88 prosenttia saman käyttöiän aikana.
Atomimittakaavan laskelmat paljastavat katodin kapasitanssin pienenemisen mekanismin. CNM:n nanotieteilijä Maria Changin mukaan akun latauksen aikana happiatomit katoavat todennäköisemmin reuna-alueilta kuin niistä kauempana olevilta alueilta. Tämä happihävikki johtaa solusyklin heikkenemiseen.
"Laskelmamme osoittavat, kuinka rajapinta voi johtaa hapen vapautumiseen korkeassa paineessa, mikä voi heikentää suorituskykyä", Chan sanoi.
Rajapinnan poistaminen estää hapen kehittymisen, mikä parantaa katodin turvallisuutta ja syklistä vakautta. Yhdysvaltain energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion APS:llä ja edistyneellä valonlähteellä tehdyt hapenkehitysmittaukset vahvistavat tämän päätelmän.
”Meillä on nyt ohjeet, joita akkuvalmistajat voivat käyttää valmistaakseen katodimateriaaleja, joilla ei ole rajoja ja jotka toimivat korkeassa paineessa”, sanoi Argonne Fellow Emeritus Khalil Amin. 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。””Ohjeiden tulisi koskea muita katodimateriaaleja kuin NMC:tä.”
Artikkeli tästä tutkimuksesta julkaistiin 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 Hwanu, Duheng, Taing, Taingha, Chang 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 Nanomateriaalikeskus, yksi Yhdysvaltain energiaministeriön viidestä nanoteknologian tutkimuskeskuksesta, on Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston tukeman monitieteisen nanomittakaavan tutkimuksen johtava kansallinen käyttäjälaitos. Yhdessä NSRC:t muodostavat toisiaan täydentävien laitteiden kokonaisuuden, joka tarjoaa tutkijoille huippuluokan valmiuksia nanomittakaavan materiaalien valmistukseen, käsittelyyn, karakterisointiin ja mallintamiseen. Ne edustavat National Nanotechnology Initiative -aloitteen suurinta infrastruktuuri-investointia. NSRC sijaitsee Yhdysvaltain energiaministeriön kansallisissa laboratorioissa Argonnessa, Brookhavenissa, Lawrence Berkeleyssä, Oak Ridgessä, Sandiassa ja Los Alamosissa. Lisätietoja NSRC DOE:sta on osoitteessa https://​science​.osti​.gov/​U​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Yhdysvaltain energiaministeriön Argonnen kansallislaboratoriossa sijaitseva Advanced Photon Source (APS) on yksi maailman tuottavimmista röntgenlähteistä. APS tarjoaa korkean intensiteetin röntgensäteitä monimuotoiselle tutkimusyhteisölle materiaalitieteen, kemian, tiiviin aineen fysiikan, bio- ja ympäristötieteiden sekä soveltavan tutkimuksen aloilla. Nämä röntgensäteet sopivat ihanteellisesti 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 kehollemme. Terveyden perusta. Joka vuosi yli 5 000 tutkijaa käyttää APS:ää julkaistakseen yli 2 000 julkaisua, joissa kuvataan tärkeitä löytöjä ja ratkaistaan ​​tärkeämpiä biologisia proteiinirakenteita kuin minkään muun röntgentutkimuskeskuksen käyttäjät. APS:n tiedemiehet ja insinöörit ottavat käyttöön innovatiivisia teknologioita, jotka ovat perusta kiihdyttimien ja valonlähteiden suorituskyvyn parantamiselle. Tähän sisältyvät tutkijoiden arvostamat erittäin kirkkaita röntgensäteitä tuottavat syöttölaitteet, linssit, jotka tarkentavat röntgensäteitä muutamaan nanometriin, instrumentit, jotka maksimoivat röntgensäteiden vuorovaikutuksen tutkittavan näytteen kanssa, sekä APS-löydösten kerääminen ja hallinta. Tutkimus tuottaa valtavia tietomääriä.
Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin Advanced Photon Sourcen resursseja. Advanced Photon Source on Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston käyttäjäkeskus, jota Argonne National Laboratory ylläpitää Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimistolle sopimusnumerolla DE-AC02-06CH11357.
Argonnen kansallinen laboratorio pyrkii ratkaisemaan kotimaisen tieteen ja teknologian polttavia ongelmia. Yhdysvaltojen ensimmäisenä kansallisena laboratoriona Argonne tekee huippuluokan perus- ja soveltavaa tutkimusta käytännössä kaikilla tieteenaloilla. Argonnen tutkijat työskentelevät tiiviisti satojen yritysten, yliopistojen sekä liittovaltion, osavaltion ja kunnan virastojen tutkijoiden kanssa auttaakseen heitä ratkaisemaan erityisiä ongelmia, edistämään Yhdysvaltojen tieteellistä johtajuutta ja valmistamaan kansakuntaa parempaan tulevaisuuteen. Argonne työllistää työntekijöitä yli 60 maasta, ja sitä ylläpitää Yhdysvaltain energiaministeriön tiedeosaston UChicago Argonne, LLC.
Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto on maan suurin fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen edistäjä, ja se pyrkii ratkaisemaan aikamme polttavimmat kysymykset. Lisätietoja on osoitteessa https://​energy​.gov/​science​ience.