Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisessa laboratoriossa on pitkä historia uranuurtavista löytöistä litium-ioni-akkujen alalla. Monet näistä tuloksista ovat akkukatodille, nimeltään NMC, nikkeli mangaani ja koboltioksidi. Tällä katodilla varustettu akku käyttää nyt Chevrolet -pulttia.
Argonne -tutkijat ovat saavuttaneet uuden läpimurron NMC -katodeissa. Ryhmän uusi pieni katodihiukkasrakenne voisi tehdä akun kestävämmän ja turvallisemman, pystyy toimimaan erittäin suurilla jännitteillä ja tarjoamaan pidemmät matkatavarat.
"Meillä on nyt ohjeita, joita akkujen valmistajat voivat käyttää korkean paineen, rajattomien katodimateriaalien valmistukseen", Khalil Amin, Argonne-emeritus.
"Nykyiset NMC -katodit esittävät suuren esteen korkeajännitetyölle", sanoi apulaiskemisti Guiliang Xu. Varauksen purkamispyöräilyllä suorituskyky putoaa nopeasti katodihiukkasten halkeamien muodostumisen vuoksi. Akkututkijat ovat vuosikymmenien ajan etsinyt tapoja korjata nämä halkeamat.
Yksi menetelmä aiemmin käytettiin pieniä pallomaisia ​​hiukkasia, jotka koostuivat monista paljon pienistä hiukkasista. Suuret pallomaiset hiukkaset ovat monikiteisiä, kiteisillä domeeneilla, joilla on eri suunta. Seurauksena on, että heillä on sitä, mitä tutkijat kutsuvat viljarajoiksi hiukkasten välillä, mikä voi aiheuttaa akun halkeamisen syklin aikana. Tämän estämiseksi Xu ja Argonnen kollegat olivat aiemmin kehittäneet suojaavan polymeeripinnoitteen kunkin hiukkasen ympärillä. Tämä pinnoite ympäröi niiden sisällä suuria pallomaisia ​​hiukkasia ja pienempiä hiukkasia.
Toinen tapa välttää tällaista halkeamista on käyttää yhden kidehiukkasia. Näiden hiukkasten elektronimikroskopia osoitti, että niillä ei ole rajoja.
Ryhmän ongelmana oli, että päällystetyistä monikiteistä ja yksittäisistä kiteistä valmistetut katodit säröivät edelleen pyöräilyn aikana. Siksi he suorittivat laajan analyysin näistä katodimateriaaleista edistyneessä fotonilähteessä (APS) ja nanomateriaalien keskuksessa (CNM) Yhdysvaltain energiaministeriön Argonne Science Centerissä.
Erilaiset röntgenanalyysit suoritettiin viidellä APS-aseella (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ja 34-ID-E). Osoittautuu, että se, mitä tutkijoiden mielestä oli yksi kristalli, kuten elektroni ja röntgenmikroskopia osoittavat, oli tosiasiallisesti raja. CNMS: n skannaus- ja siirtoelektronimikroskopia vahvisti tämän johtopäätöksen.
"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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 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 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Kuitenkin, kun käytimme Synchrotron-röntgendiffraktiomikroskopiaa ja muita tekniikoita APS: ssä, havaitsimme kuitenkin, että rajat oli piilotettu sisälle."
Tärkeää on, että joukkue on kehittänyt menetelmän yhden kiteen tuottamiseksi ilman rajoja. Pienten solujen testaaminen tällä yksikristallikatodilla erittäin suurilla jännitteillä osoitti energian varastoinnin 25%: n kasvua 25%: n määrän määrää kohti, käytännössä suorituskyvyn menetys yli 100 testisyklissä. Sitä vastoin NMC-katodit, jotka koostuivat monen pinnan yksittäisistä kiteistä tai päällystetyistä monikiteistä, osoittivat kapasiteettipisaran 60–88% samassa elinaikana.
Atomi -asteikon laskelmat paljastavat katodin kapasitanssin vähentämisen 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 vähentymiseen", Chan sanoi.
Rajan poistaminen estää hapen kehitystä, mikä parantaa katodin turvallisuutta ja syklistä stabiilisuutta. Hapen evoluutiomittaukset APS: llä ja edistyneellä valonlähteellä Yhdysvaltain energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa vahvistavat tämän päätelmän.
"Nyt meillä on ohjeita, joita akkujen valmistajat voivat käyttää katodimateriaalien valmistukseen, joilla ei ole rajoja ja jotka toimivat korkeassa paineessa", sanoi Khalil Amin, argonne -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。”"Ohjeisiin olisi sovellettava muihin katodimateriaaleihin kuin NMC."
Artikkeli tästä tutkimuksesta ilmestyi Nature Energy -lehdessä. XU: n, Aminin, Liun ja Changin lisäksi Argonne -kirjailijat 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 Zing ja Ming ja Ming, Ming, In Ihui Hwang, Chengjun, Zonghai Chen. Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion (Wanli Yang, Qingtian Li ja Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jingin fani, Ling Huang ja Shi-Gang Sun) ja Tsinghua -yliopiston (Dongsheng Ren, Xuning Feng ja Mingao Ouang) tutkijat.
Tietoja Argonne -nanomateriaalikeskuksesta Nanomaterials -keskus, yksi viidestä Yhdysvaltain energian nanoteknologian tutkimuskeskuksesta, on Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston tukeman monitieteisen nanomittakaavan tutkimuksen johtava kansallinen käyttäjälaitos. Yhdessä NSRC: t muodostavat sarjan täydentäviä tiloja, jotka tarjoavat tutkijoille huipputekniset ominaisuudet nanomittakaavoiden materiaalien valmistukseen, käsittelemiseen, karakterisointiin ja mallintamiseen ja edustavat suurinta infrastruktuurin investointeja kansallisen nanoteknologian aloitteen puitteissa. NSRC sijaitsee Yhdysvaltain Energy National Laboratories -ministeriössä Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ja Los Alamos. Lisätietoja NSRC DOE: stä on osoitteessa https: // science .osti .gov/me er-f a c i Lit s/me er-f a c i l it eli s-at -a silmäyksellä.
Yhdysvaltain energiaministeriön edistynyt fotonilähde (APS) Argonnen kansallisessa laboratoriossa on yksi maailman tuottavimmista röntgenlähteistä. APS tarjoaa erittäin intensiivisiä röntgenkuvia monipuoliselle materiaalitieteen, kemian, kondensoituneiden aineiden fysiikan, elämän ja ympäristötieteiden sekä sovelletun tutkimuksen tutkimusyhteisölle. Nämä röntgenkuvat ovat ihanteellisia materiaalien ja biologisten rakenteiden, elementtien, kemiallisten, magneettisten ja elektronisten tilojen ja jakautumisen ja kaikenlaisten teknisesti tärkeiden tekniikkajärjestelmien jakautumiseen paristoista polttoaineen injektorin suuttimiin, jotka ovat elintärkeitä kansantaloudellemme, tekniikkaan. ja keho terveyden perusta. Joka vuosi yli 5000 tutkijaa käyttää APS: ää julkaistakseen yli 2000 julkaisua, joissa yksityiskohtaisesti on tärkeitä löytöjä ja ratkaisemaan tärkeämpiä biologisia proteiinirakenteita kuin minkään muun röntgentutkimuskeskuksen käyttäjiä. APS -tutkijat ja insinöörit toteuttavat innovatiivisia tekniikoita, jotka ovat perusta kiihdyttimien ja valonlähteiden suorituskyvyn parantamiselle. Tähän sisältyy syöttölaitteet, jotka tuottavat tutkijoiden arvostetut erittäin kirkkaat röntgenkuvat, linssit, jotka keskittyvät röntgenkuviin muutamaan nanometriin, instrumentteihin, jotka maksimoivat tapaa, jolla röntgenkuvat ovat vuorovaikutuksessa tutkitun näytteen kanssa, ja APS Discoveries -tutkimuksen kerääminen ja hallinta tuottaa valtavia tietomääriä.
Tässä tutkimuksessa käytettiin resursseja Advanced Photon Source -yritykseltä, Yhdysvaltain energiaministeriön käyttäjäkeskuksesta, jota ylläpitää Yhdysvaltain energiaministeriön laitoksen kansallinen laboratorio sopimusnumeron DE-AC02-06CH11357.
Argonnen kansallinen laboratorio pyrkii ratkaisemaan kotitieteen ja tekniikan kiireelliset ongelmat. Ensimmäisenä Yhdysvaltojen kansallisena laboratoriona Argonne suorittaa huippuluokan perus- ja sovellettua tutkimusta käytännössä jokaisessa tieteellisessä tieteenalassa. Argonne -tutkijat tekevät tiivistä yhteistyötä satojen yritysten, yliopistojen sekä liittovaltion, osavaltioiden ja kunnallisten virastojen tutkijoiden kanssa auttaakseen heitä ratkaisemaan erityisiä ongelmia, edistämään Yhdysvaltojen tieteellistä johtajuutta ja valmistamaan kansakunnan parempaan tulevaisuuteen. Argonne työllistää yli 60 maasta työntekijöitä, ja sitä ylläpitää Uchicago Argonne, LLC Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimistosta.
Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto on maan suurin fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen kannattaja, joka pyrkii käsittelemään aikamme kiireellisimpiä kysymyksiä. Lisätietoja on osoitteessa https: // Energy .gov/Science Ience.