Onderzoekers van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory hebben een lange geschiedenis van baanbrekende ontdekkingen op het gebied van lithium-ionbatterijen. Veel van deze resultaten zijn voor de batterijkathode, NMC, nikkelmangaan en kobaltoxide genoemd. Een batterij met deze kathode voedt nu de Chevrolet -bout.
Argonne -onderzoekers hebben een nieuwe doorbraak bereikt in NMC -kathoden. De nieuwe kleine kathode -deeltjesstructuur van het team kan de batterij duurzamer en veiliger maken, in staat om op zeer hoge spanningen te werken en langere reisbereiken te bieden.
"We hebben nu begeleiding dat batterijfabrikanten kunnen gebruiken om hogedruk, grenzoze kathodematerialen te maken," Khalil Amin, Emeritus Argonne Fellow.
"Bestaande NMC -kathoden presenteren een grote hindernis voor hoogspanningswerk," zei assistent -chemicus Guiliang Xu. Met fietsen van ladingontlading daalt de prestaties snel als gevolg van de vorming van scheuren in de kathodedeeltjes. Al tientallen jaren zijn batterijonderzoekers op zoek naar manieren om deze scheuren te repareren.
Eén methode in het verleden gebruikte kleine sferische deeltjes samengesteld uit veel veel kleinere deeltjes. Grote sferische deeltjes zijn polykristallijn, met kristallijne domeinen van verschillende oriëntaties. Als gevolg hiervan hebben ze welke wetenschappers korrelgrenzen tussen deeltjes noemen, waardoor de batterij tijdens een cyclus kan barsten. Om dit te voorkomen, hadden de collega's van Xu en Argonne eerder een beschermende polymeercoating rond elk deeltje ontwikkeld. Deze coating omringt grote sferische deeltjes en kleinere deeltjes erin.
Een andere manier om dit soort barsten te voorkomen, is door enkele kristaldeeltjes te gebruiken. Elektronenmicroscopie van deze deeltjes toonde aan dat ze geen grenzen hebben.
Het probleem voor het team was dat kathoden gemaakt van gecoate polykristallen en enkele kristallen nog steeds gebarsten tijdens het fietsen. Daarom voerden ze een uitgebreide analyse van deze kathodematerialen uit bij de Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanomaterials (CNM) bij het Argonne Science Center van het Amerikaanse ministerie van Energie.
Verschillende röntgenanalyses werden uitgevoerd op vijf APS-armen (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E). Het blijkt dat wat wetenschappers dachten dat een enkel kristal was, zoals blijkt uit elektronen- en röntgenmicroscopie, eigenlijk een grens had. Scannen en transmissie -elektronenmicroscopie van CNM's bevestigde deze conclusie.
"Toen we naar de oppervlaktemorfologie van deze deeltjes keken, zagen ze eruit als enkele kristallen," zei natuurkundige 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 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。" â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 种 称为 同步 加速器 加速器 射线 显微镜 显微镜 的 和 和 其他 时 时 我们 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。""Toen we echter een techniek gebruikten genaamd synchrotron röntgendiffractiemicroscopie en andere technieken bij APS, vonden we dat de grenzen van binnen verborgen waren."
Belangrijk is dat het team een ​​methode heeft ontwikkeld om enkele kristallen zonder grenzen te produceren. Het testen van kleine cellen met deze single-kristal kathode bij zeer hoge spanningen vertoonde een toename van 25% in energieopslag per volume-eenheid met vrijwel geen verlies van prestaties over 100 testcycli. NMC-kathoden daarentegen, samengesteld uit multi-interface enkele kristallen of gecoate polykristallen, vertoonden een capaciteitsdaling van 60% tot 88% gedurende dezelfde levensduur.
Atomische schaalberekeningen onthullen het mechanisme van reductie van kathodecapaciteit. Volgens Maria Chang, een nanowetenschapper bij CNM, verliezen grenzen eerder zuurstofatomen wanneer de batterij wordt opgeladen dan gebieden verder van hen. Dit verlies van zuurstof leidt tot afbraak van de celcyclus.
"Onze berekeningen laten zien hoe de grens ertoe kan leiden dat zuurstof wordt vrijgegeven bij hoge druk, wat kan leiden tot verminderde prestaties," zei Chan.
Het elimineren van de grens voorkomt zuurstofevolutie, waardoor de veiligheid en cyclische stabiliteit van de kathode wordt verbeterd. Metingen van zuurstofevolutie met APS en een geavanceerde lichtbron bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie bevestigen deze conclusie.
"Nu hebben we richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodematerialen te maken die geen grenzen hebben en op hoge druk werken," zei Khalil Amin, argonne -mede -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 moeten van toepassing zijn op andere kathodematerialen dan NMC."
Een artikel over deze studie verscheen in het tijdschrift Nature Energy. Naast Xu, Amin, Liu en Chang zijn de Argonne -auteurs Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, AMIN DAALI, YANG REN, WENQIAN XU, WENJEN DUG, MENT TA, CHENGJ, CHENGJ, CHENGJ, CHENGJ, MENT TA, MENT TA, MENT TA, CHENGJEN, MENT TA, MENT TA, MENTHU, MENT TA, CHENGJEN, MENT TA, MENT TA, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, 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 Oquyang).
Over het Argonne Center for Nanomaterials Het Centre for Nanomaterials, een van de vijf US Department of Energy Nanotechnology Research Centers, is de belangrijkste nationale gebruikersinstelling voor interdisciplinair nanoschaalonderzoek ondersteund door het Office of Science van de US Department of Energy. Samen vormen NSRC's een reeks complementaire faciliteiten die onderzoekers state-of-the-art capaciteiten bieden voor het fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren van materialen van nanoschaal en vertegenwoordigen de grootste infrastructuurinvestering onder het National Nanotechnology Initiative. De NSRC is gevestigd op het Amerikaanse ministerie van Energie National Laboratories in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Ga voor meer informatie over de 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-op -a blik.
De Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse ministerie van Energie bij Argonne National Laboratory is een van de meest productieve röntgenbronnen ter wereld. APS biedt röntgenfoto's van hoge intensiteit aan een diverse onderzoeksgemeenschap in materiaalwetenschap, chemie, gecondenseerde materie, levens- en milieuwetenschappen en toegepast onderzoek. Deze röntgenfoto's zijn ideaal voor het bestuderen van materialen en biologische structuren, de verdeling van elementen, chemische, magnetische en elektronische toestanden, en technisch belangrijke technische systemen van allerlei soorten, van batterijen tot brandstofinjectorsproeiers, 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 met behulp van belangrijke ontdekkingen en het oplossen van belangrijkere biologische eiwitstructuren dan gebruikers van een ander röntgenonderzoekscentrum. APS -wetenschappers en ingenieurs implementeren innovatieve technologieën die de basis vormen voor het verbeteren van de prestaties van versnellers en lichtbronnen. Dit omvat input-apparaten die extreem heldere röntgenfoto's produceren die door onderzoekers worden gewaardeerd, lenzen die röntgenfoto's richten op enkele nanometers, instrumenten die de manier waarop röntgenfoto's omgaan, omgaan met de onderzochte steekproef, en het verzamelen en beheer van APS-ontdekkingen onderzoek genereert enorme datavolumes.
Deze studie gebruikte middelen van Advanced Photon Source, een US Department of Energy Office of Science User Center beheerd door Argonne National Laboratory voor het US Department of Energy Office of Science onder contractnummer DE-AC02-06CH11357.
Het Argonne National Laboratory streeft ernaar de dringende problemen van binnenlandse wetenschap en technologie op te lossen. Als het eerste nationale laboratorium in de Verenigde Staten voert Argonne geavanceerd fundamenteel en toegepast onderzoek uit in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Argonne -onderzoekers werken nauw samen met onderzoekers van honderden bedrijven, universiteiten en federale, nationale en gemeentelijke agentschappen om hen te helpen specifieke problemen op te lossen, het Amerikaanse wetenschappelijk leiderschap te bevorderen en de natie voor te bereiden op een betere toekomst. Argonne heeft werknemers uit meer dan 60 landen in dienst en wordt beheerd door Uchicago Argonne, LLC van het Office of Science van de US Department of Energy.
Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie is de grootste voorstander van het nationale voorstander van basisonderzoek in de fysieke wetenschappen en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest dringende kwesties van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https: // Energy .gov/Science ience.