Os investigadores do Laboratorio Nacional de Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (DOE) teñen unha longa historia de descubrimentos pioneiros no campo das baterías de ión-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 Chevrolet Bolt.
Os investigadores de Argonne lograron outro avance nos cátodos NMC. A nova estrutura de partículas do cátodo do equipo podería facer que a batería sexa máis duradeira e segura, capaz de funcionar a voltaxes moi altas e proporcionar rangos de viaxe máis longos.
"Agora temos orientacións que os fabricantes de baterías poden usar para fabricar materiais de cátodo sen bordes de alta presión", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Os cátodos NMC existentes presentan un gran obstáculo para o traballo de alta tensión", dixo o químico asistente Guiliang Xu. Co ciclo de carga-descarga, o rendemento cae rapidamente debido á formación de fendas nas partículas do cátodo. Durante décadas, os investigadores de baterías estiveron buscando formas de reparar estas fendas.
Un método no pasado utilizaba pequenas partículas esféricas 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 grans entre partículas, o que pode provocar que a batería se rache durante un ciclo. Para evitalo, os colegas de Xu e Argonne desenvolveran previamente un revestimento de polímero protector arredor de cada partícula. Este revestimento rodea partículas esféricas grandes e partículas máis pequenas dentro delas.
Outra forma de evitar este tipo de fisuras é utilizar partículas de cristal único. A microscopía electrónica destas partículas demostrou que non teñen límites.
O problema para o equipo foi que os cátodos feitos de policristais revestidos e monocristais aínda se rachaban durante o ciclismo. Por iso, realizaron unha ampla análise destes materiais catódicos na fonte de fotones avanzada (APS) e no Centro de Nanomateriais (CNM) do Argonne Science Center 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 só cristal, como mostra a microscopía electrónica e de raios X, en realidade tiña un límite no seu interior. A microscopía electrónica de varrido e transmisión de CNM confirmou esta conclusión.
"Cando observamos a morfoloxía superficial destas partículas, parecían cristais únicos", 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术戥加速器X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 抶 朗 同步 加速器们 发现 边界 隐藏 在。”"Non obstante, cando usamos unha técnica chamada microscopía de difracción de raios X de sincrotrón e outras técnicas en APS, descubrimos que os límites estaban escondidos no interior".
É importante destacar que o equipo desenvolveu un método para producir cristais sinxelos sen límites. A proba de celas pequenas con este cátodo monocristal a voltaxes moi altas mostrou un aumento do 25% no almacenamento de enerxía por unidade de volume sen practicamente ningunha perda de rendemento durante 100 ciclos de proba. Pola contra, os cátodos NMC compostos por cristais simples de interfaces múltiples ou policristais revestidos mostraron unha caída de capacidade do 60% ao 88% durante a mesma vida útil.
Os cálculos a escala atómica revelan o mecanismo de redución da capacitancia do cátodo. Segundo Maria Chang, nanocientífica do CNM, é máis probable que os límites perdan átomos de osíxeno cando se carga a batería que as áreas máis afastadas deles. Esta perda de osíxeno leva á degradación do ciclo celular.
"Os nosos cálculos mostran como o límite pode levar a que se libere osíxeno a alta presión, o que pode levar a un rendemento reducido", dixo Chan.
A eliminación do límite impide a evolución de 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 pautas que os fabricantes de baterías poden usar para fabricar materiais de cátodo que non teñen límites e funcionan a alta presión", dixo Khalil Amin, compañeiro 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 de cátodo 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, Ming Du e Zonghai Chen. 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).
Acerca do 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 de usuarios 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 última xeración para fabricar, procesar, caracterizar e modelar materiais a nanoescala e representan o maior investimento en infraestrutura baixo a Iniciativa Nacional de Nanotecnoloxía. O NSRC está situado nos Laboratorios Nacionais do Departamento de Enerxía dos EUA 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 é, é dicir, é unha ollada.
A fonte avanzada de fotóns (APS) do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos no Argonne National Laboratory é unha das fontes de raios X máis produtivas do mundo. APS proporciona raios X de alta intensidade a unha comunidade de investigación diversa en ciencia de materiais, química, física da materia condensada, ciencias da vida e do medio ambiente e investigación aplicada. Estes raios X son ideais para estudar materiais e estruturas biolóxicas, a distribución dos elementos, os estados químicos, magnéticos e electrónicos, e os sistemas de enxeñaría tecnicamente importantes de todo tipo, desde baterías ata boquillas de inxección de combustible, que son vitais para a nosa economía e tecnoloxía nacional. . e 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 implementando 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 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 obxecto de estudo e a recollida e xestión dos descubrimentos de APS. A investigación xera grandes volumes de datos.
Este estudo utilizou recursos de Advanced Photon Source, un Centro de Usuarios da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos EE.
O Laboratorio Nacional de Argonne esfórzase por resolver os problemas acuciantes da ciencia e tecnoloxía domésticas. Como o primeiro laboratorio nacional dos Estados Unidos, Argonne realiza investigación básica e aplicada 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, avanzar no liderado científico dos Estados Unidos e preparar a nación para un futuro mellor. Argonne emprega empregados de máis de 60 países e está operado 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 en ciencias físicas do país, traballando para abordar algúns dos problemas máis urxentes do noso tempo. Para obter máis información, visite https://​energy​.gov/​science​ience.