Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een lange geschiedenis van baanbrekende ontdekkingen op het gebied van lithium-ionbatterijen. Veel van deze resultaten gelden voor de batterijkathode, genaamd NMC, nikkel-mangaan en kobaltoxide. Een batterij met deze kathode voedt nu de Chevrolet Bolt.
Argonne-onderzoekers hebben opnieuw een doorbraak bereikt in NMC-kathodes. De nieuwe kleine kathodedeeltjesstructuur van het team zou de batterij duurzamer en veiliger kunnen maken, in staat zijn om bij zeer hoge spanningen te werken en een groter bereik te bieden.
“We hebben nu richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om hogedruk, randloze kathodematerialen te maken”, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Bestaande NMC-kathodes vormen een grote hindernis voor hoogspanningswerk”, zegt assistent-chemicus Guiliang Xu. Bij laad-ontlaadcycli nemen de prestaties snel af als gevolg van de vorming van scheuren in de kathodedeeltjes. Al tientallen jaren zoeken batterijonderzoekers naar manieren om deze scheuren te repareren.
Eén methode in het verleden maakte gebruik van kleine bolvormige deeltjes die uit veel veel kleinere deeltjes bestonden. Grote bolvormige deeltjes zijn polykristallijn, met kristallijne domeinen met verschillende oriëntaties. Als gevolg hiervan hebben ze wat 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 bolvormige deeltjes en kleinere deeltjes daarin.
Een andere manier om dit soort scheuren te voorkomen is het gebruik van monokristallijne deeltjes. Elektronenmicroscopie van deze deeltjes toonde aan dat ze geen grenzen kennen.
Het probleem voor het team was dat kathodes gemaakt van gecoate polykristallen en enkele kristallen tijdens het fietsen nog steeds barsten. Daarom voerden ze een uitgebreide analyse 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 zijn verschillende röntgenanalyses 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, feitelijk een grens binnenin had. Scan- en transmissie-elektronenmicroscopie van CNM's bevestigden deze conclusie.
“Toen we naar de oppervlaktemorfologie van deze deeltjes keken, leken ze op enkele kristallen”, zegt 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，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 我发现 边界 隐藏 在。”“Toen we echter bij APS een techniek gebruikten die synchrotron röntgendiffractiemicroscopie heet, en andere technieken, ontdekten we dat de grenzen daarbinnen verborgen waren.”
Belangrijk is dat het team een ​​methode heeft ontwikkeld om grenzeloze enkelvoudige kristallen te produceren. Het testen van kleine cellen met deze eenkristalkathode bij zeer hoge spanningen toonde een toename van 25% in de energieopslag per volume-eenheid aan, met vrijwel geen prestatieverlies gedurende 100 testcycli. Daarentegen vertoonden NMC-kathodes, bestaande uit enkele kristallen met meerdere interfaces of gecoate polykristallen, een capaciteitsdaling van 60% tot 88% gedurende dezelfde levensduur.
Berekeningen op atomaire schaal onthullen het mechanisme van de reductie van de kathodecapaciteit. Volgens Maria Chang, een nanowetenschapper bij CNM, is de kans groter dat er bij grenzen zuurstofatomen verloren gaan als de batterij wordt opgeladen dan in gebieden die verder weg liggen. Dit zuurstofverlies leidt tot afbraak van de celcyclus.
“Onze berekeningen laten zien hoe de grens ertoe kan leiden dat zuurstof onder hoge druk vrijkomt, wat kan leiden tot verminderde prestaties”, aldus Chan.
Het elimineren van de grens voorkomt zuurstofontwikkeling, waardoor de veiligheid en cyclische stabiliteit van de kathode wordt verbeterd. Metingen van de zuurstofevolutie met APS en een geavanceerde lichtbron in 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 kennen en onder hoge druk werken”, zegt 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 moeten van toepassing 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 onderzoekscentra voor nanotechnologie van het Amerikaanse ministerie van Energie, is de belangrijkste nationale gebruikersinstelling voor interdisciplinair onderzoek op nanoschaal, ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie. Samen vormen NSRC's een reeks complementaire faciliteiten die onderzoekers voorzien van state-of-the-art mogelijkheden voor het fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren van materialen op nanoschaal en vertegenwoordigen ze de grootste infrastructuurinvestering onder het National Nanotechnology Initiative. De NSRC is gevestigd in de National Laboratories van het Amerikaanse Department of Energy 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​-​in​-een​oogopslag.
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 röntgenstralen met hoge intensiteit aan een diverse onderzoeksgemeenschap op het gebied van materiaalkunde, scheikunde, fysica van de 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 allerlei soorten technisch belangrijke technische systemen, 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 belangrijkere biologische eiwitstructuren worden opgelost dan 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. Dit omvat invoerapparaten die extreem heldere röntgenstralen produceren die door onderzoekers worden gewaardeerd, lenzen die röntgenstralen tot op enkele nanometers focusseren, instrumenten die de manier maximaliseren waarop röntgenstralen interageren met het onderzochte monster, en het verzamelen en beheren van APS-ontdekkingen. Onderzoek genereert enorme datavolumes.
Bij deze studie werd gebruik gemaakt van bronnen van Advanced Photon Source, een gebruikerscentrum van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, 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 de binnenlandse wetenschap en technologie op te lossen. Als het eerste nationale laboratorium in de Verenigde Staten voert Argonne baanbrekend fundamenteel en toegepast onderzoek uit in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Onderzoekers uit 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 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 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 en werkt aan de aanpak van enkele van de meest urgente problemen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https://​energy​.gov/​science​ience.