Os investigadores do laboratorio nacional de Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos 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 agora alimenta o parafuso de chevrolet.
Os investigadores de Argonne conseguiron outro avance nos cátodos NMC. A nova pequena estrutura de partículas do cátodo do equipo podería facer que a batería sexa máis duradeira e segura, capaz de operar a tensións moi altas e proporcionar intervalos de viaxes máis longos.
"Agora temos orientacións que os fabricantes de baterías poden usar para fabricar materiais de cátodo sen fronteiras", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Os cátodos NMC existentes presentan un gran obstáculo para os traballos de alta tensión", dixo o químico asistente Guiliang Xu. Con ciclismo de carga de carga, o rendemento cae rapidamente debido á formación de fisuras nas partículas do cátodo. Durante décadas, os investigadores da batería estiveron buscando formas de reparar estas fendas.
Un método no pasado empregou pequenas partículas esféricas compostas por moitas partículas moito máis pequenas. As grandes partículas esféricas son policristalinas, con dominios cristalinos de varias orientacións. Como resultado, teñen o que os científicos chaman límites de gran entre partículas, o que pode facer que a batería se rachase durante un ciclo. Para evitar isto, os compañeiros de Xu e Argonne desenvolveron anteriormente un revestimento de polímero protector ao redor de cada partícula. Este revestimento rodea grandes partículas esféricas e partículas máis pequenas dentro delas.
Outro xeito de evitar este tipo de rachaduras é usar partículas de cristal único. A microscopía electrónica destas partículas demostrou que non teñen límites.
O problema para o equipo foi que os cátodos feitos a partir de policristalos revestidos e cristais simples aínda se rachaban durante o ciclismo. Polo tanto, realizaron unha ampla análise destes materiais cátodos na fonte avanzada de fotóns (APS) e no Centro de Nanomateriais (CNM) no Centro de Ciencias de Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos.
Realizáronse diversas 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 único cristal, como mostra a microscopía de electróns e raios X, tiña un límite dentro. A microscopía electrónica de dixitalización e transmisión de CNM confirmou esta conclusión.
"Cando miramos a morfoloxía superficial destas partículas, parecían cristais simples", 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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 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 使用 种 同步 加速器 加速器 射线 射线 显微镜 技术 和 其他 ， ， 我们 发现 边界 隐藏 隐藏 隐藏 发现 发现 发现 发现 隐藏 隐藏"Non obstante, cando empregamos unha técnica chamada microscopía de difracción de raios X de Synchrotron e outras técnicas en APS, descubrimos que os límites estaban ocultos dentro".
É importante destacar que o equipo desenvolveu un método para producir cristais individuais sen límites. A proba de pequenas células con este cátodo dun só cristal a tensións moi altas mostrou un aumento do 25% no almacenamento de enerxía por unidade de volume sen practicamente ningunha perda de rendemento en 100 ciclos de proba. En contraste, os cátodos NMC compostos por cristais individuais de varias interfaces ou policristalos revestidos mostraron unha caída de capacidade do 60% ao 88% durante a mesma vida.
Os cálculos da escala atómica revelan o mecanismo de redución de capacitancia do cátodo. Segundo Maria Chang, un nanocientífico na CNM, os límites son máis propensos a perder átomos de osíxeno cando a batería está cargada que as zonas máis lonxe deles. Esta perda de osíxeno leva á degradación do ciclo celular.
"Os nosos cálculos mostran como o límite pode levar a que o osíxeno sexa liberado 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 medidas de evolución de osíxeno con APS e unha fonte de luz avanzada no Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos confirma esta conclusión.
"Agora temos directrices que os fabricantes de baterías poden usar para facer materiais cátodos que non teñen límites e operan a alta presión", dixo 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。""As directrices deben aplicarse a materiais cátodos distintos da 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, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, mingo, taoo Du, e Zonghai Chen. Científicos do laboratorio nacional de Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), a Universidade Xiamen (fan de Jing-Jing, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingoo OUYANG).
Sobre o Centro de Nanomateriais de Argonne, o Centro de Nanomateriais, un dos cinco centros de investigación de nanotecnoloxía de enerxía dos Estados Unidos, é a primeira institución de usuarios nacional para a investigación nanoescala interdisciplinaria apoiada pola Oficina de Ciencias do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos. Xuntos, os NSRC forman unha serie de instalacións complementarias que proporcionan aos investigadores capacidades de última xeración para fabricar, procesar, caracterizar e modelar materiais nanoescala e representar o maior investimento en infraestruturas baixo a iniciativa nacional de nanotecnoloxía. O NSRC está situado no Departamento de Laboratorios Nacionais de Enerxía dos Estados Unidos en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Para obter máis información sobre o NSRC DOE, visite 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 ollando.
A fonte avanzada de fotóns (APS) do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos no laboratorio nacional de Argonne é unha das fontes de raios X máis produtivos do mundo. APS proporciona raios X de alta intensidade a unha comunidade de investigación diversa en ciencias dos materiais, química, física de materia condensada, ciencias da vida e ambientais e investigacións aplicadas. Estes raios X son ideais para estudar materiais e estruturas biolóxicas, a distribución de elementos, estados químicos, magnéticos e electrónicos e sistemas de enxeñería importantes tecnicamente importantes de todo tipo, desde baterías ata boquillas de inxectores de combustible, que son vitais para a nosa economía nacional, tecnoloxía. e corpo a base da saúde. Cada ano, máis de 5.000 investigadores usan APS para publicar máis de 2.000 publicacións detallando importantes descubrimentos e resolvendo estruturas de proteínas biolóxicas máis importantes que os usuarios de calquera outro centro de investigación de raios X. Científicos e enxeñeiros de APS están a implementar tecnoloxías innovadoras que son a base para mellorar o rendemento dos aceleradores e fontes de luz. Isto inclúe dispositivos de entrada que producen raios X extremadamente brillantes apreciados por investigadores, lentes que se centran nos raios X ata algúns nanómetros, instrumentos que maximizan a forma en que os raios X interactúan coa mostra en estudo e a recollida e xestión da investigación de descubrimentos de APS xera enormes volumes de datos.
Este estudo utilizou recursos de avanzada FOTON FONTE, un Centro de usuarios do Departamento de Ciencias de Departamento de Ciencias dos Estados Unidos operado polo Laboratorio Nacional de Argonne para a Oficina de Ciencias da Enerxía dos Estados Unidos baixo o número de contrato DE-AC02-06CH11357.
O laboratorio nacional de Argonne busca esforzarse por resolver os problemas de ciencia doméstica e a tecnoloxía. Como primeiro laboratorio nacional dos Estados Unidos, Argonne realiza investigacións básicas e aplicadas de punta 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, avanzar no liderado científico dos Estados Unidos e preparar a nación para un futuro mellor. Argonne emprega empregados de máis de 60 países e é operado por Uchicago Argonne, LLC da Oficina de Ciencias do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos.
A Oficina de Ciencias do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos é o maior defensor da investigación básica do país nas ciencias físicas, traballando para tratar algúns dos temas máis imperiosos do noso tempo. Para máis información, visite https: // enerxía .gov/ciencia ience.