Ûndersikers by it Amerikaanske ministearje fan enerzjy (DOE) Argonne National Laboratory hawwe in lange skiednis fan pionierswurk ûntdekkingen op it mêd fan lithium-ion batterijen. In protte fan dizze resultaten binne foar de batterij kathode, neamd NMC, nikkel mangaan en kobalt okside. In batterij mei dizze kathode driuwt no de Chevrolet Bolt.
Argonne ûndersikers hawwe berikt in oare trochbraak yn NMC kathodes. De nije lytse katode-partikelstruktuer fan it team koe de batterij duorsumer en feiliger meitsje, yn steat om te operearjen op heul hege spanningen en langere reisbereiken te leverjen.
"Wy hawwe no begelieding dy't batterijfabrikanten kinne brûke om hege druk, grinsleaze kathodematerialen te meitsjen," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Besteande NMC kathodes presintearje in grutte hindernis foar hege spanning wurk," sei assistint skiekundige Guiliang Xu. Mei lading-ûntladingsfytsen sakket de prestaasjes rap troch de formaasje fan barsten yn 'e katode-dieltsjes. Foar tsientallen jierren hawwe batterijûndersikers socht nei manieren om dizze skuorren te reparearjen.
Ien metoade brûkt yn it ferline lytse sfearyske dieltsjes gearstald út in protte folle lytsere dieltsjes. Grutte sfearyske dieltsjes binne polykristallijn, mei kristallijne domeinen fan ferskate oriïntaasjes. Dêrtroch hawwe se wat wittenskippers nôtgrinzen neame tusken dieltsjes, wêrtroch't de batterij yn in syklus barst. Om dit foar te kommen, hienen de kollega's fan Xu en Argonne earder in beskermjende polymeercoating om elk dieltsje ûntwikkele. Dizze coating omgiet grutte sfearyske dieltsjes en lytsere dieltsjes dêryn.
In oare manier om dit soarte fan kraken te foarkommen is it brûken fan inkele kristallen dieltsjes. Elektronenmikroskopie fan dizze dieltsjes liet sjen dat se gjin grinzen hawwe.
It probleem foar it team wie dat kathodes makke fan beklaaide polykristallen en inkele kristallen noch barsten tidens it fytsen. Dêrom hawwe se wiidweidige analyze fan dizze kathodematerialen útfierd by de Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanomaterials (CNM) by it Argonne Science Center fan 'e US Department of Energy.
Ferskate x-ray-analyzes waarden útfierd op fiif APS-wapens (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E). It docht bliken dat wat wittenskippers tochten in inkeld kristal wie, lykas oanjûn troch elektroanen- en röntgenmikroskopie, eins in grins binnen hie. Scannen en oerdracht elektronenmikroskopie fan CNM's befêstige dizze konklúzje.
"Doe't wy nei de oerflakmorfology fan dizze dieltsjes seagen, seagen se út as inkele kristallen," sei natuerkundige Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜皼倌木微镜皻倌朌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 显微镜 的 时 嚅们 发现 边界 隐藏 在。”"Doe't wy lykwols in technyk brûkten neamd synchrotron X-ray diffraksjemikroskopy en oare techniken by APS, fûnen wy dat de grinzen binnen ferburgen wiene."
Wichtich is dat it team in metoade hat ûntwikkele om inkele kristallen sûnder grinzen te produsearjen. Testen fan lytse sellen mei dizze single-crystal kathode op heul hege spanningen toande in 25% ferheging fan enerzjy opslach per ienheid folume mei praktysk gjin ferlies yn prestaasjes oer 100 test syklussen. Yn tsjinstelling, NMC kathodes gearstald út multi-interface single kristallen of coated polycrystals toande in kapasiteit drop fan 60% oant 88% oer deselde libbensdoer.
Atomic skaal berekkeningen litte sjen it meganisme fan kathode capacitance reduksje. Neffens Maria Chang, in nanowittenskipper by CNM, binne grinzen mear kâns om soerstofatomen te ferliezen as de batterij opladen wurdt dan gebieten fierder fan har ôf. Dit ferlies fan soerstof liedt ta degradaasje fan 'e selsyklus.
"Us berekkeningen litte sjen hoe't de grins kin liede ta soerstof dy't by hege druk frijlitten wurdt, wat kin liede ta fermindere prestaasjes," sei Chan.
Eliminearjen fan de grins foarkomt soerstof evolúsje, dêrmei ferbetterjen fan de feiligens en cyclic stabiliteit fan de kathode. Oxygen-evolúsjemjittingen mei APS en in avansearre ljochtboarne by Lawrence Berkeley National Laboratory fan 'e Amerikaanske Department of Energy befêstigje dizze konklúzje.
"No hawwe wy rjochtlinen dy't batterijfabrikanten kinne brûke om kathodematerialen te meitsjen dy't gjin grinzen hawwe en op hege druk operearje," sei 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。”"Rjochtlinen moatte jilde foar oare kathodematerialen dan NMC."
In artikel oer dizze stúdzje ferskynde yn it tydskrift Nature Energy. Neist Xu, Amin, Liu en Chang binne de Argonne-auteurs 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 en Zonghai Chen. Wittenskippers fan it Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li, en Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang en Shi-Gang Sun) en Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng en Mingao Ouyang).
Oer it Argonne Sintrum foar Nanomaterialen It Sintrum foar Nanomaterialen, ien fan 'e fiif ûndersyksintra foar nanotechnology fan 'e US Department of Energy, is de foaroansteande nasjonale brûkersynstelling foar ynterdissiplinêr nanoskaalûndersyk stipe troch it Office of Science fan' e US Department of Energy. Tegearre foarmje NSRC's in suite fan komplemintêre foarsjenningen dy't ûndersikers mei state-of-the-art mooglikheden leverje foar it fabryken, ferwurkjen, karakterisearjen en modelleren fan nanoskaal materialen en fertsjintwurdigje de grutste ynfrastruktuer ynvestearring ûnder it National Nanotechnology Initiative. De NSRC leit by it Amerikaanske Department of Energy National Laboratories yn Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Foar mear ynformaasje oer de NSRC DOE, besykje https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​ilit​​​ie​s​/​Us er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​​​.
De Advanced Photon Source (APS) fan it Amerikaanske ministearje fan enerzjy by Argonne National Laboratory is ien fan 'e meast produktive röntgenboarnen yn' e wrâld. APS leveret röntgenstralen mei hege yntinsiteit oan in ferskaat ûndersyksmienskip yn materiaalwittenskip, skiekunde, fysika fan gecondenseerde materie, libbens- en miljeuwittenskippen, en tapast ûndersyk. Dizze röntgenstralen binne ideaal foar it bestudearjen fan materialen en biologyske struktueren, de distribúsje fan eleminten, gemyske, magnetyske en elektroanyske steaten, en technysk wichtige yngenieursystemen fan alle soarten, fan batterijen oant brânstofinjector-sproeiers, dy't essensjeel binne foar ús nasjonale ekonomy, technology . en lichem De basis fan sûnens. Elk jier brûke mear dan 5,000 ûndersikers APS om mear dan 2,000 publikaasjes te publisearjen dy't wichtige ûntdekkingen detaillearje en wichtiger biologyske proteïnestruktueren oplosse as brûkers fan in oar röntgenûndersyksintrum. APS-wittenskippers en yngenieurs implementearje ynnovative technologyen dy't de basis binne foar it ferbetterjen fan de prestaasjes fan accelerators en ljochtboarnen. Dit omfettet ynfierapparaten dy't ekstreem heldere röntgenstralen produsearje dy't wurdearre troch ûndersikers, linzen dy't röntgenstralen fokusje oant in pear nanometer, ynstruminten dy't de manier maksimalisearje wêrop röntgenstralen ynteraksje mei it ûndersochte stekproef, en it sammeljen en behearen fan APS-ûntdekkingen Undersyk generearret enoarme gegevensvoluminten.
Dizze stúdzje brûkte boarnen fan Advanced Photon Source, in US Department of Energy Office of Science User Center eksploitearre troch Argonne National Laboratory foar it US Department of Energy Office of Science ûnder kontraktnûmer DE-AC02-06CH11357.
It Argonne National Laboratory stribbet dernei om de driuwende problemen fan ynlânske wittenskip en technology op te lossen. As it earste nasjonale laboratoarium yn 'e Feriene Steaten, fiert Argonne nijsgjirrich basis- en tapast ûndersyk yn hast elke wittenskiplike dissipline. Argonne-ûndersikers wurkje nau gear mei ûndersikers fan hûnderten bedriuwen, universiteiten en federale, steats- en gemeentlike ynstânsjes om har te helpen spesifike problemen op te lossen, it Amerikaanske wittenskiplik liederskip foarút te bringen, en de naasje tariede op in bettere takomst. Argonne hat wurknimmers út mear as 60 lannen en wurdt eksploitearre troch UChicago Argonne, LLC fan it Office of Science fan it US Department of Energy.
It Office of Science fan 'e US Department of Energy is de grutste foarstanner fan' e naasje fan basisûndersyk yn 'e fysike wittenskippen, en wurket om guon fan' e meast driuwende problemen fan ús tiid oan te pakken. Foar mear ynformaasje, besykje https://energy.gov/scienceience.