Undersykers fan it Argonne National Laboratory fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy (DOE) hawwe in lange skiednis fan baanbrekkende ûntdekkingen op it mêd fan lithium-ion-batterijen. In protte fan dizze resultaten binne foar de batterijkatode, neamd NMC, nikkelmangaan en kobaltoxide. In batterij mei dizze katode driuwt no de Chevrolet Bolt oan.
Undersykers fan Argonne hawwe in oare trochbraak berikt yn NMC-katodes. De nije lytse katodepartikelstruktuer fan it team koe de batterij duorsumer en feiliger meitsje, by steat wêze om te wurkjen by heul hege spanningen en langere reisberiken te leverjen.
"Wy hawwe no begelieding dy't batterijfabrikanten brûke kinne om katodematerialen sûnder grins te meitsjen ûnder hege druk," sei Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Besteande NMC-katodes foarmje in grutte hindernis foar heechspanningswurk," sei assistint-gemikus Guiliang Xu. Mei lading-ûntladingssyklusen sakket de prestaasjes rap troch de foarming fan skuorren yn 'e katodepartikels. Batterijûndersikers hawwe tsientallen jierren socht nei manieren om dizze skuorren te reparearjen.
Ien metoade brûkte yn it ferline lytse sferyske dieltsjes dy't gearstald wiene út in protte folle lytsere dieltsjes. Grutte sferyske dieltsjes binne polykristallijn, mei kristallijne domeinen fan ferskate oriïntaasjes. As gefolch hawwe se wat wittenskippers nôtgrinzen neame tusken dieltsjes, wat de batterij tidens in syklus kin barste. Om dit te foarkommen hiene de kollega's fan Xu en Argonne earder in beskermjende polymeercoating om elk dieltsje hinne ûntwikkele. Dizze coating omfiemet grutte sferyske dieltsjes en lytsere dieltsjes dêryn.
In oare manier om dit soarte barsten te foarkommen is it brûken fan ienkristalpartikels. Elektroanenmikroskopie fan dizze dieltsjes liet sjen dat se gjin grinzen hawwe.
It probleem foar it team wie dat katodes makke fan bedekte polykristallen en ienkristallen noch altyd barsten tidens it syklusearjen. Dêrom fierden se in wiidweidige analyze út fan dizze katodematerialen by de Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanomaterials (CNM) yn it Argonne Science Center fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy.
Ferskate röntgenanalyses waarden útfierd op fiif APS-earmen (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E). It docht bliken dat wat wittenskippers tochten dat in ienkristal wie, lykas oantoand troch elektronen- en röntgenmikroskopie, eins in grins binnen hie. Skennende en transmissie-elektronenmikroskopie fan CNM's befêstigen dizze konklúzje.
"Doe't wy nei de oerflakmorfology fan dizze dieltsjes seagen, seagen se derút as ienkristallen," 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 皅 旊微镜 皜 旊， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Doe't wy lykwols in technyk brûkten dy't synchrotron-röntgendiffraksjemikroskopie neamd wurdt en oare techniken by APS, fûnen wy dat de grinzen binnen ferburgen wiene."
Wichtich is dat it team in metoade ûntwikkele hat om ienkristallen sûnder grinzen te produsearjen. It testen fan lytse sellen mei dizze ienkristalkatode by tige hege spanningen liet in ferheging fan 25% sjen yn enerzjyopslach per ienheidsvolume mei praktysk gjin ferlies yn prestaasjes oer 100 testsyklusen. Yn tsjinstelling, lieten NMC-katodes gearstald út multi-interface ienkristallen of bedekte polykristallen in kapasiteitsdaling sjen fan 60% oant 88% oer deselde libbensdoer.
Berekkeningen op atomêre skaal litte it meganisme fan katodekapasitansereduksje sjen. Neffens Maria Chang, in nanowittenskipper by CNM, is de kâns grutter dat grinzen soerstofatomen ferlieze as de batterij opladen wurdt as gebieten dy't fierder fan har ôf binne. Dit ferlies fan soerstof liedt ta degradaasje fan 'e selsyklus.
"Us berekkeningen litte sjen hoe't de grins derta liede kin dat soerstof by hege druk frijkomt, wat kin liede ta fermindere prestaasjes," sei Chan.
It eliminearjen fan 'e grins foarkomt soerstofûntwikkeling, wêrtroch't de feiligens en sykliske stabiliteit fan 'e katode ferbettere wurdt. Mjittingen fan soerstofûntwikkeling mei APS en in avansearre ljochtboarne by it Lawrence Berkeley National Laboratory fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy befêstigje dizze konklúzje.
"No hawwe wy rjochtlinen dy't batterijfabrikanten brûke kinne om katodematerialen te meitsjen dy't gjin grinzen hawwe en ûnder hege druk wurkje," 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 katodematerialen as 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 Ming Sun, Chen Duen Zhou, en Zong. 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 Center for Nanomaterials It Center for Nanomaterials, ien fan 'e fiif nanotechnology-ûndersykssintra fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy, is de wichtichste nasjonale brûkersynstelling foar ynterdissiplinêr nanoskaalûndersyk stipe troch it Office of Science fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy. Tegearre foarmje NSRC's in suite fan komplementêre foarsjennings dy't ûndersikers state-of-the-art mooglikheden biede foar it meitsjen, ferwurkjen, karakterisearjen en modellearjen fan nanoskaalmaterialen en fertsjintwurdigje se de grutste ynvestearring yn ynfrastruktuer ûnder it National Nanotechnology Initiative. De NSRC is fêstige by de National Laboratories fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy yn Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, en Los Alamos. Foar mear ynformaasje oer it NSRC DOE, besykje https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
De Advanced Photon Source (APS) fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy by it Argonne National Laboratory is ien fan 'e produktyfste röntgenboarnen yn 'e wrâld. APS leveret röntgenstralen mei hege yntensiteit oan in ferskaat ûndersyksmienskip yn materiaalkunde, skiekunde, natuerkunde fan kondinsearre matearje, libbens- en miljeuwittenskippen, en tapast ûndersyk. Dizze röntgenstralen binne ideaal foar it bestudearjen fan materialen en biologyske struktueren, de ferdieling fan eleminten, gemyske, magnetyske en elektroanyske steaten, en technysk wichtige yngenieurs systemen fan alle soarten, fan batterijen oant brânstofynjektors, dy't essensjeel binne foar ús nasjonale ekonomy, technology en lichem. De basis fan sûnens. Elk jier brûke mear as 5.000 ûndersikers APS om mear as 2.000 publikaasjes te publisearjen dy't wichtige ûntdekkingen detaillearje en wichtiger biologyske proteïnestrukturen oplosse as brûkers fan elk oar röntgenûndersykssintrum. Wittenskippers en yngenieurs fan APS ymplementearje ynnovative technologyen dy't de basis foarmje foar it ferbetterjen fan 'e prestaasjes fan fersnellers en ljochtboarnen. Dit omfettet ynfierapparaten dy't ekstreem heldere röntgenstralen produsearje dy't wurdearre wurde troch ûndersikers, lenzen dy't röntgenstralen fokussearje oant in pear nanometers, ynstruminten dy't de manier wêrop röntgenstralen ynteraksje mei it ûndersochte stekproef maksimalisearje, en it sammeljen en behearen fan APS-ûntdekkingen. Undersyk genereart enoarme gegevensvoluminten.
Dizze stúdzje brûkte boarnen fan Advanced Photon Source, in brûkerssintrum fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy, eksploitearre troch Argonne National Laboratory foar it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy ûnder kontraktnûmer DE-AC02-06CH11357.
It Argonne National Laboratory stribbet dernei om de driuwende problemen fan húshâldlike wittenskip en technology op te lossen. As it earste nasjonale laboratoarium yn 'e Feriene Steaten docht Argonne baanbrekkend basis- en tapast ûndersyk yn praktysk elke wittenskiplike dissipline. Undersykers fan Argonne wurkje nau gear mei ûndersikers fan hûnderten bedriuwen, universiteiten en federale, steatlike en gemeentlike ynstânsjes om har te helpen spesifike problemen op te lossen, it wittenskiplik liederskip fan 'e FS te befoarderjen en de naasje ta te rieden op in bettere takomst. Argonne hat meiwurkers út mear as 60 lannen yn tsjinst en wurdt eksploitearre troch UChicago Argonne, LLC fan it Office of Science fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy.
It Office of Science fan it Amerikaanske Ministearje fan Enerzjy is de grutste foarstanner fan basisûndersyk yn 'e natuerkunde yn it lân, en wurket oan it oanpakken fan guon fan 'e meast driuwende problemen fan ús tiid. Foar mear ynformaasje, besykje https://energy.gov/scienceience.