Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) hebben een lange geschiedenis van baanbrekende ontdekkingen op het gebied van lithium-ionbatterijen. Veel van deze resultaten hebben betrekking op de batterijkathode, NMC genaamd, nikkel-mangaan- en kobaltoxide. Een batterij met deze kathode drijft nu de Chevrolet Bolt aan.
Onderzoekers van Argonne hebben een nieuwe doorbraak bereikt op het gebied van NMC-kathodes. De nieuwe structuur van de minuscule kathodedeeltjes van het team zou de batterij duurzamer en veiliger kunnen maken, waardoor deze op zeer hoge spanningen kan werken en een groter bereik kan hebben.
"We hebben nu richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodematerialen met hoge druk en randloosheid te maken", aldus Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Bestaande NMC-kathodes vormen een groot obstakel voor hoogspanningswerk", aldus assistent-chemicus Guiliang Xu. Bij het laden en ontladen nemen de prestaties snel af door de vorming van scheurtjes in de kathodedeeltjes. Batterijonderzoekers zijn al tientallen jaren op zoek naar manieren om deze scheurtjes te repareren.
Eén methode in het verleden maakte gebruik van minuscule bolvormige deeltjes die uit vele, veel kleinere deeltjes bestonden. Grote bolvormige deeltjes zijn polykristallijn, met kristallijne domeinen met verschillende oriëntaties. Daardoor hebben ze wat wetenschappers korrelgrenzen tussen deeltjes noemen, wat ervoor kan zorgen dat de batterij tijdens een cyclus barst. Om dit te voorkomen, hadden de collega's van Xu en Argonne eerder een beschermende polymeercoating rond elk deeltje ontwikkeld. Deze coating omhult grote bolvormige deeltjes en de kleinere deeltjes daarbinnen.
Een andere manier om dit soort scheurvorming te voorkomen, is door gebruik te maken van monokristallijne deeltjes. Elektronenmicroscopie van deze deeltjes toonde aan dat ze geen grenzen hebben.
Het probleem voor het team was dat kathodes gemaakt van gecoate polykristallen en monokristallen nog steeds barstten tijdens de cyclus. Daarom voerden ze uitgebreide analyses uit van deze kathodematerialen bij de Advanced Photon Source (APS) en het Center for Nanomaterials (CNM) van het Argonne Science Center van het Amerikaanse Ministerie van Energie.
Er werden verschillende röntgenanalyses uitgevoerd op vijf APS-armen (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E). Het bleek dat wat wetenschappers voor een monokristal hielden, zoals aangetoond door elektronen- en röntgenmicroscopie, in werkelijkheid een binnenste begrenzing had. Scanning- en transmissie-elektronenmicroscopie van CNM's bevestigden deze conclusie.
"Toen we naar de oppervlaktemorfologie van deze deeltjes keken, zagen we dat ze leken op enkele kristallen", aldus natuurkundige Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X " 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。”"Toen we echter een techniek genaamd synchrotron-röntgendiffractiemicroscopie en andere technieken bij APS gebruikten, ontdekten we dat de grenzen binnenin verborgen lagen."
Belangrijk is dat het team een ​​methode heeft ontwikkeld om grenzeloze monokristallen te produceren. Het testen van kleine cellen met deze monokristallijne kathode bij zeer hoge spanningen toonde een toename van 25% in energieopslag per volume-eenheid, met vrijwel geen prestatieverlies gedurende 100 testcycli. NMC-kathodes, samengesteld uit monokristallen met meerdere interfaces of gecoate polykristallen, vertoonden daarentegen een capaciteitsdaling van 60% tot 88% over dezelfde levensduur.
Berekeningen op atomaire schaal onthullen het mechanisme van de reductie van de kathodecapaciteit. Volgens Maria Chang, nanowetenschapper bij CNM, verliezen grenzen eerder zuurstofatomen wanneer de batterij wordt opgeladen dan gebieden verder weg ervan. Dit zuurstofverlies leidt tot een verslechtering van de celcyclus.
"Onze berekeningen laten zien hoe de grens ertoe kan leiden dat er bij hoge druk zuurstof vrijkomt, wat kan leiden tot verminderde prestaties", aldus Chan.
Het elimineren van de grens voorkomt zuurstofontwikkeling, wat de veiligheid en cyclische stabiliteit van de kathode verbetert. Zuurstofontwikkelingsmetingen met APS en een geavanceerde lichtbron in het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie bevestigen deze conclusie.
"We hebben nu richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodematerialen te maken die geen grenzen kennen en onder hoge druk werken", aldus 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。”“Richtlijnen zouden van toepassing moeten zijn op andere kathodematerialen dan NMC.”
Een artikel over dit onderzoek verscheen in het tijdschrift Nature Energy. Naast Xu, Amin, Liu en Chang zijn de auteurs van Argonne 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. Wetenschappers van het 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).
Over het Argonne Center for Nanomaterials Het Center for Nanomaterials, een van de vijf nanotechnologie-onderzoekscentra van het Amerikaanse ministerie van Energie, is de belangrijkste nationale gebruikersinstelling voor interdisciplinair nanoschaalonderzoek, ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie. Samen vormen de NSRC's een reeks complementaire faciliteiten die onderzoekers voorzien van state-of-the-art mogelijkheden voor het fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren van nanoschaalmaterialen en vertegenwoordigen ze de grootste infrastructuurinvestering in het kader van het National Nanotechnology Initiative. Het NSRC is gevestigd bij de nationale laboratoria van het Amerikaanse ministerie van Energie in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Ga voor meer informatie over het NSRC DOE naar https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
De Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse ministerie van Energie in het Argonne National Laboratory is een van de meest productieve röntgenbronnen ter wereld. APS levert röntgenstraling met hoge intensiteit aan een diverse onderzoeksgemeenschap in materiaalkunde, scheikunde, fysica van gecondenseerde materie, levens- en milieuwetenschappen en toegepast onderzoek. Deze röntgenstraling is ideaal voor het bestuderen van materialen en biologische structuren, de distributie van elementen, chemische, magnetische en elektronische toestanden, en technisch belangrijke technische systemen van allerlei aard, van batterijen tot brandstofinjectoren, die van vitaal belang zijn voor onze nationale economie, technologie en lichaam. De basis van gezondheid. Elk jaar gebruiken meer dan 5.000 onderzoekers APS om meer dan 2.000 publicaties te publiceren waarin belangrijke ontdekkingen worden beschreven en meer belangrijke biologische eiwitstructuren worden opgelost dan bij gebruikers van enig ander röntgenonderzoekscentrum. Wetenschappers en ingenieurs van APS implementeren innovatieve technologieën die de basis vormen voor het verbeteren van de prestaties van versnellers en lichtbronnen. Hierbij gaat het onder meer om invoerapparaten die extreem heldere röntgenstralen produceren die door onderzoekers zeer gewaardeerd worden, lenzen die röntgenstralen tot op een paar nanometer nauwkeurig focussen, instrumenten die de manier waarop röntgenstralen interacteren met het te onderzoeken monster maximaliseren en het verzamelen en beheren van APS-ontdekkingen. Onderzoek genereert enorme hoeveelheden data.
Voor deze studie zijn bronnen gebruikt van Advanced Photon Source, een gebruikerscentrum van het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie dat wordt beheerd door Argonne National Laboratory voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie onder contractnummer DE-AC02-06CH11357.
Het Argonne National Laboratory streeft ernaar de dringende problemen van binnenlandse wetenschap en technologie op te lossen. Als eerste nationale laboratorium in de Verenigde Staten voert Argonne baanbrekend fundamenteel en toegepast onderzoek uit in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Onderzoekers van Argonne werken nauw samen met onderzoekers van honderden bedrijven, universiteiten en federale, staats- en gemeentelijke instanties om hen te helpen specifieke problemen op te lossen, het Amerikaanse wetenschappelijke leiderschap te versterken en de natie voor te bereiden op een betere toekomst. Argonne heeft medewerkers uit meer dan 60 landen en wordt beheerd door UChicago Argonne, LLC, onderdeel van het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.
Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente problemen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https://​energy​.gov/​science​ience.