Os investigadores do Laboratorio Nacional Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (DOE) teñen unha longa historia de descubrimentos pioneiros no campo das baterías de ións de litio. Moitos destes resultados son para o cátodo da batería, chamado NMC, níquel-manganeso e óxido de cobalto. Unha batería con este cátodo alimenta agora o Chevrolet Bolt.
Investigadores de Argonne acadaron outro avance nos cátodos de monóxido de carbono (NMC). A nova estrutura de diminutas partículas do cátodo do equipo podería facer que a batería sexa máis duradeira e segura, capaz de funcionar a voltaxes moi altas e proporcionar autonomías de percorrido máis longas.
«Agora temos unha guía que os fabricantes de baterías poden usar para fabricar materiais catódicos sen bordos e de alta presión», dixo Khalil Amin, membro emérito de Argonne.
«Os cátodos NMC existentes supoñen un obstáculo importante para o traballo de alta tensión», afirmou o químico asistente Guiliang Xu. Cos ciclos de carga e descarga, o rendemento diminúe rapidamente debido á formación de gretas nas partículas do cátodo. Durante décadas, os investigadores de baterías estiveron buscando xeitos de reparar estas gretas.
Un método no pasado empregaba partículas esféricas diminutas compostas por moitas partículas moito máis pequenas. As partículas esféricas grandes son policristalinas, con dominios cristalinos de varias orientacións. Como resultado, teñen o que os científicos chaman límites de gran entre as partículas, o que pode provocar que a batería se rache durante un ciclo. Para evitar isto, os colegas de Xu e Argonne xa desenvolveran previamente un revestimento de polímero protector arredor de cada partícula. Este revestimento rodea as partículas esféricas grandes e as partículas máis pequenas dentro delas.
Outra forma de evitar este tipo de rachaduras é empregar partículas monocristalinas. A microscopía electrónica destas partículas mostrou que non teñen límites.
O problema para o equipo era que os cátodos feitos de policristais e monocristais revestidos aínda se rachaban durante os ciclos. Polo tanto, levaron a cabo unha análise exhaustiva destes materiais catódicos na Fonte de Fotóns Avanzada (APS) e no Centro de Nanomateriais (CNM) do Centro Científico Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos.
Realizáronse varias análises de raios X en cinco brazos APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Resulta que o que os científicos pensaban que era un monocristal, como demostraron as microscopías electrónicas e de raios X, en realidade tiña un límite interior. A microscopía electrónica de varrido e de transmisión dos CNM confirmou esta conclusión.
«Cando observamos a morfoloxía superficial destas partículas, parecían monocristais», dixo o físico 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 微镜 的 微镜 的 和 朗 朗我们 发现 边界 隐藏 在。”"Non obstante, cando empregamos unha técnica chamada microscopía de difracción de raios X de sincrotrón e outras técnicas na APS, descubrimos que os límites estaban ocultos no interior".
É importante destacar que o equipo desenvolveu un método para producir monocristais sen límites. As probas con celas pequenas con este cátodo monocristalino a voltaxes moi altas mostraron un aumento do 25 % no almacenamento de enerxía por unidade de volume practicamente sen perda de rendemento en 100 ciclos de proba. Pola contra, os cátodos NMC compostos por monocristais multiinterface ou policristais revestidos mostraron unha caída da capacidade do 60 % ao 88 % durante a mesma vida útil.
Os cálculos a escala atómica revelan o mecanismo de redución da capacitancia catódica. Segundo Maria Chang, nanocientífica do CNM, é máis probable que os límites perdan átomos de osíxeno cando se carga a batería que as zonas máis afastadas deles. Esta perda de osíxeno leva á degradación do ciclo celular.
«Os nosos cálculos amosan como o límite pode provocar a liberación de osíxeno a alta presión, o que pode levar a un rendemento reducido», dixo Chan.
A eliminación do límite impide a evolución do osíxeno, mellorando así a seguridade e a estabilidade cíclica do cátodo. As medicións da evolución do osíxeno con APS e unha fonte de luz avanzada no Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos confirman esta conclusión.
«Agora temos unhas directrices que os fabricantes de baterías poden usar para fabricar materiais catódicos que non teñan límites e funcionen a alta presión», dixo Khalil Amin, membro emérito de Argonne. 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。”"As directrices deberían aplicarse a materiais catódicos que non sexan NMC."
Un artigo sobre este estudo apareceu na revista Nature Energy. Ademais de Xu, Amin, Liu e Chang, os autores de Argonne son 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 e Zhou Mhaiing. Científicos do Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), da Universidade de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e da Universidade de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Sobre o Centro Argonne para Nanomateriais O Centro para Nanomateriais, un dos cinco centros de investigación en nanotecnoloxía do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos, é a principal institución nacional usuaria para a investigación interdisciplinar a nanoescala apoiada pola Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos. Xuntos, os NSRC forman un conxunto de instalacións complementarias que proporcionan aos investigadores capacidades de vangarda para fabricar, procesar, caracterizar e modelar materiais a nanoescala e representan o maior investimento en infraestruturas no marco da Iniciativa Nacional de Nanotecnoloxía. O NSRC está situado nos Laboratorios Nacionais do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Para obter máis información sobre o Departamento de Enerxía do NSRC, visite https://science.osti.gov/User-Fa-c-i-lit-ie-s/Us-er-Fa-c-i-l-it-ie-s-at-a-Glance.
A Fonte de Fotóns Avanzada (APS) do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos no Laboratorio Nacional Argonne é unha das fontes de raios X máis produtivas do mundo. A APS proporciona raios X de alta intensidade a unha comunidade investigadora diversa en ciencia de materiais, química, física da materia condensada, ciencias da vida e ambientais, e investigación aplicada. Estes raios X son ideais para estudar materiais e estruturas biolóxicas, a distribución de elementos, estados químicos, magnéticos e electrónicos, e sistemas de enxeñaría tecnicamente importantes de todo tipo, desde baterías ata boquillas de inxectores de combustible, que son vitais para a nosa economía nacional, a tecnoloxía e o corpo, a base da saúde. Cada ano, máis de 5.000 investigadores usan APS para publicar máis de 2.000 publicacións que detallan descubrimentos importantes e resolven estruturas de proteínas biolóxicas máis importantes que os usuarios de calquera outro centro de investigación de raios X. Os científicos e enxeñeiros de APS están a implementar tecnoloxías innovadoras que son a base para mellorar o rendemento dos aceleradores e as fontes de luz. Isto inclúe dispositivos de entrada que producen raios X extremadamente brillantes moi apreciados polos investigadores, lentes que enfocan os raios X ata uns poucos nanómetros, instrumentos que maximizan a forma en que os raios X interactúan coa mostra en estudo e a recollida e xestión de descubrimentos de APS. A investigación xera enormes volumes de datos.
Este estudo utilizou recursos de Advanced Photon Source, un Centro de Usuarios da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos xestionado polo Laboratorio Nacional Argonne para a Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos baixo o contrato número DE-AC02-06CH11357.
O Laboratorio Nacional de Argonne esfórzase por resolver os problemas máis acuciantes da ciencia e a tecnoloxía nacionais. Como primeiro laboratorio nacional dos Estados Unidos, Argonne leva a cabo investigacións básicas e aplicadas de vangarda en practicamente todas as disciplinas científicas. Os investigadores de Argonne traballan en estreita colaboración con investigadores de centos de empresas, universidades e axencias federais, estatais e municipais para axudalos a resolver problemas específicos, promover o liderado científico dos Estados Unidos e preparar a nación para un futuro mellor. Argonne emprega empregados de máis de 60 países e está xestionado por UChicago Argonne, LLC da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos.
A Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos é o maior defensor da investigación básica nas ciencias físicas do país e traballa para abordar algúns dos problemas máis urxentes do noso tempo. Para obter máis información, visite https://energy.gov/scienceience.