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 betreffen de kathode van de batterij, genaamd NMC (nikkel-mangaan-kobaltoxide). Een batterij met deze kathode drijft nu de Chevrolet Bolt aan.
Onderzoekers van Argonne hebben opnieuw een doorbraak bereikt op het gebied van NMC-kathodes. De nieuwe, minuscule kathode-deeltjesstructuur van het team zou de batterij duurzamer en veiliger kunnen maken, waardoor deze op zeer hoge spanningen kan werken en een grotere actieradius kan bieden.
"We beschikken nu over richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodematerialen te maken die bestand zijn tegen hoge druk en zonder zichtbare randen", aldus Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"De bestaande NMC-kathodes vormen een grote hindernis voor toepassingen met hoge spanning", aldus assistent-chemicus Guiliang Xu. Bij herhaaldelijk laden en ontladen neemt de prestatie snel af door de vorming van scheuren in de kathodedeeltjes. Batterijonderzoekers zijn al decennialang op zoek naar manieren om deze scheuren te repareren.
Een van de methoden die in het verleden werd gebruikt, maakte gebruik van minuscule bolvormige deeltjes die waren samengesteld uit vele veel kleinere deeltjes. Grote bolvormige deeltjes zijn polykristallijn, met kristallijne domeinen van verschillende oriëntaties. Daardoor hebben ze wat wetenschappers korrelgrenzen noemen tussen de deeltjes, wat kan leiden tot scheuren in de batterij tijdens een cyclus. Om dit te voorkomen, hadden de collega's van Xu en Argonne eerder een beschermende polymeercoating rond elk deeltje ontwikkeld. Deze coating omhult de grote bolvormige deeltjes en de kleinere deeltjes daarin.
Een andere manier om dit soort scheurvorming te voorkomen, is het gebruik van enkelkristallijne deeltjes. Elektronenmicroscopisch onderzoek van deze deeltjes toonde aan dat ze geen grenzen hebben.
Het probleem voor het team was dat kathodes gemaakt van gecoate polykristallen en enkelkristallen nog steeds barsten vertoonden tijdens het cycleren. 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 diverse 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 dachten dat een enkel kristal was, zoals aangetoond door elektronen- en röntgenmicroscopie, in werkelijkheid een grens aan de binnenkant had. Scanning- en transmissie-elektronenmicroscopie van CNM's bevestigden deze conclusie.
"Toen we naar de oppervlaktemorfologie van deze deeltjes keken, leken ze op enkelkristallen," 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 zich aan de binnenkant bevonden."
Belangrijk is dat het team een ​​methode heeft ontwikkeld om enkelkristallen zonder grenzen te produceren. Tests met kleine cellen met deze enkelkristal-kathode bij zeer hoge spanningen lieten een toename van 25% in energieopslag per volume-eenheid zien, met vrijwel geen prestatieverlies gedurende 100 testcycli. Ter vergelijking: NMC-kathodes, samengesteld uit enkelkristallen met meerdere grensvlakken of gecoate polykristallen, vertoonden een capaciteitsdaling van 60% tot 88% over dezelfde levensduur.
Berekeningen op atomair niveau onthullen het mechanisme achter de afname van de kathodecapaciteit. Volgens Maria Chang, nanowetenschapper bij CNM, is de kans groter dat zuurstofatomen aan de randen van de batterij verloren gaan tijdens het opladen dan in gebieden die verder van de randen verwijderd zijn. Dit zuurstofverlies leidt tot een verslechtering van de levensduur van de cel.
"Onze berekeningen laten zien hoe de grens ertoe kan leiden dat zuurstof onder hoge druk vrijkomt, wat de prestaties kan verminderen," aldus Chan.
Door de grens te elimineren wordt zuurstofontwikkeling voorkomen, waardoor de veiligheid en de cyclische stabiliteit van de kathode verbeteren. Metingen van zuurstofontwikkeling met APS en een geavanceerde lichtbron in het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie bevestigen deze conclusie.
"Nu beschikken we over richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodematerialen te maken die geen beperkingen kennen en onder hoge druk kunnen functioneren," 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。”“De richtlijnen moeten ook gelden voor 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 nanotechnologieonderzoekscentra van het Amerikaanse Ministerie van Energie, is de belangrijkste nationale onderzoeksinstelling voor interdisciplinair nanotechnologisch onderzoek, 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 geavanceerde mogelijkheden voor het fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren van nanotechnologische materialen. Ze vertegenwoordigen de grootste infrastructuurinvestering in het kader van het National Nanotechnology Initiative. Het NSRC is gevestigd in de nationale laboratoria van het Amerikaanse Ministerie van Energie in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos. Voor meer informatie over het NSRC DOE kunt u terecht op https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-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 op het gebied van materiaalkunde, chemie, vastestoffysica, levens- en milieuwetenschappen en toegepast onderzoek. Deze röntgenstraling is 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 aard, van batterijen tot brandstofinjectoren, die van vitaal belang zijn voor onze nationale economie, technologie en de basis van onze gezondheid. Elk jaar gebruiken meer dan 5.000 onderzoekers APS om meer dan 2.000 publicaties te publiceren met belangrijke ontdekkingen en om belangrijkere biologische eiwitstructuren op te lossen dan gebruikers van welk ander röntgenonderzoekscentrum dan ook. Wetenschappers en ingenieurs van APS implementeren innovatieve technologieën die de basis vormen voor het verbeteren van de prestaties van deeltjesversnellers en lichtbronnen. Dit omvat invoerapparaten die extreem heldere röntgenstralen produceren, die zeer gewild zijn bij onderzoekers, lenzen die röntgenstralen focussen tot enkele nanometers, instrumenten die de interactie van röntgenstralen met het te onderzoeken monster maximaliseren, en het verzamelen en beheren van APS-ontdekkingen. Onderzoek genereert enorme hoeveelheden data.
Voor dit onderzoek werden middelen gebruikt van de Advanced Photon Source, een gebruikerscentrum van het Amerikaanse ministerie van Energie, beheerd door Argonne National Laboratory in opdracht van het Amerikaanse ministerie van Energie, onder contractnummer DE-AC02-06CH11357.
Het Argonne National Laboratory streeft ernaar de meest urgente problemen in de Amerikaanse wetenschap en technologie op te lossen. Als eerste nationale laboratorium in de Verenigde Staten verricht Argonne baanbrekend fundamenteel en toegepast onderzoek 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 wetenschappelijk leiderschap van de VS te bevorderen en het land voor te bereiden op een betere toekomst. Argonne heeft medewerkers uit meer dan 60 landen in dienst 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 en werkt aan oplossingen voor enkele van de meest urgente vraagstukken van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https://energy.gov/science.