Els investigadors del Laboratori Nacional Argonne del Departament d'Energia dels Estats Units (DOE) tenen una llarga història de descobriments pioners en el camp de les bateries de liti-ió. Molts d'aquests resultats són per al càtode de la bateria, anomenat NMC, níquel-manganès i òxid de cobalt. Una bateria amb aquest càtode ara alimenta el Chevrolet Bolt.
Investigadors d'Argonne han aconseguit un altre avenç en els càtodes NMC. La nova estructura de petites partícules del càtode de l'equip podria fer que la bateria sigui més duradora i segura, capaç de funcionar a voltatges molt alts i proporcionar abastos de viatge més llargs.
«Ara tenim una guia que els fabricants de bateries poden utilitzar per fabricar materials de càtode sense vores i d'alta pressió», va dir Khalil Amin, membre emèrit d'Argonne.
«Els càtodes NMC existents representen un obstacle important per al treball d'alta tensió», va dir el químic ajudant Guiliang Xu. Amb els cicles de càrrega-descàrrega, el rendiment disminueix ràpidament a causa de la formació d'esquerdes a les partícules del càtode. Durant dècades, els investigadors de bateries han estat buscant maneres de reparar aquestes esquerdes.
Un mètode anterior utilitzava petites partícules esfèriques compostes per moltes partícules molt més petites. Les partícules esfèriques grans són policristal·lines, amb dominis cristal·lins de diverses orientacions. Com a resultat, tenen el que els científics anomenen límits de gra entre les partícules, cosa que pot fer que la bateria s'esquerdi durant un cicle. Per evitar-ho, els col·legues de Xu i Argonne havien desenvolupat prèviament un recobriment de polímer protector al voltant de cada partícula. Aquest recobriment envolta les partícules esfèriques grans i les partícules més petites que hi ha dins.
Una altra manera d'evitar aquest tipus d'esquerdament és utilitzar partícules de monocristall. La microscòpia electrònica d'aquestes partícules va mostrar que no tenen límits.
El problema per a l'equip era que els càtodes fets de policristalls recoberts i monocristalls encara s'esquerdaven durant el cicle. Per tant, van dur a terme una anàlisi exhaustiva d'aquests materials de càtode a l'Advanced Photon Source (APS) i al Center for Nanomaterials (CNM) del Centre de Ciències Argonne del Departament d'Energia dels EUA.
Es van realitzar diverses anàlisis de raigs X en cinc braços APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C i 34-ID-E). Resulta que el que els científics pensaven que era un monocristall, tal com es va demostrar mitjançant microscòpia electrònica i de raigs X, en realitat tenia un límit interior. La microscòpia electrònica de rastreig i transmissió de CNM va confirmar aquesta conclusió.
«Quan vam observar la morfologia superficial d'aquestes partícules, semblaven monocristalls», va dir el físic 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 抶 朗 同步 加速器我们 发现 边界 隐藏 在。”"Tanmateix, quan vam utilitzar una tècnica anomenada microscòpia de difracció de raigs X de sincrotró i altres tècniques a l'APS, vam descobrir que els límits estaven ocults a l'interior."
És important destacar que l'equip ha desenvolupat un mètode per produir monocristalls sense límits. Les proves de petites cel·les amb aquest càtode monocristall a voltatges molt alts van mostrar un augment del 25% en l'emmagatzematge d'energia per unitat de volum sense pràcticament cap pèrdua de rendiment en més de 100 cicles de prova. En canvi, els càtodes NMC compostos per monocristalls multiinterfície o policristalls recoberts van mostrar una caiguda de capacitat del 60% al 88% durant la mateixa vida útil.
Els càlculs a escala atòmica revelen el mecanisme de reducció de la capacitància del càtode. Segons Maria Chang, nanocientífica del CNM, és més probable que els límits perdin àtoms d'oxigen quan es carrega la bateria que les zones més allunyades. Aquesta pèrdua d'oxigen condueix a la degradació del cicle cel·lular.
«Els nostres càlculs mostren com el límit pot provocar que s'alliberi oxigen a alta pressió, cosa que pot reduir el rendiment», va dir Chan.
L'eliminació del límit impedeix l'evolució d'oxigen, millorant així la seguretat i l'estabilitat cíclica del càtode. Les mesures de l'evolució d'oxigen amb APS i una font de llum avançada al Laboratori Nacional Lawrence Berkeley del Departament d'Energia dels EUA confirmen aquesta conclusió.
«Ara tenim directrius que els fabricants de bateries poden utilitzar per fabricar materials de càtode que no tinguin límits i funcionin a alta pressió», va dir Khalil Amin, membre emèrit d'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。”«Les directrius s'haurien d'aplicar als materials de càtode que no siguin NMC.»
Un article sobre aquest estudi va aparèixer a la revista Nature Energy. A més de Xu, Amin, Liu i Chang, els autors d'Argonne són 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, i Zhou Mhaiing. Científics del Laboratori Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), la Universitat de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang i Shi-Gang Sun) i la Universitat de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng i Mingao Ouyang).
Sobre el Centre Argonne de Nanomaterials El Centre de Nanomaterials, un dels cinc centres de recerca en nanotecnologia del Departament d'Energia dels Estats Units, és la principal institució nacional usuària per a la recerca interdisciplinària a nanoescala amb el suport de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels Estats Units. Junts, els NSRC formen un conjunt d'instal·lacions complementàries que proporcionen als investigadors capacitats d'avantguarda per a la fabricació, processament, caracterització i modelització de materials a nanoescala i representen la inversió en infraestructura més gran en el marc de la Iniciativa Nacional de Nanotecnologia. L'NSRC es troba als Laboratoris Nacionals del Departament d'Energia dels Estats Units a Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Per obtenir més informació sobre el Departament d'Energia del NSRC, visiteu https://science.osti.gov/User-Fa-c-i-lit-ie-s/User-Fa-c-i-l-it-ie-s-at-a-Glance.
La Font Avançada de Fotons (APS) del Departament d'Energia dels Estats Units al Laboratori Nacional Argonne és una de les fonts de raigs X més productives del món. L'APS proporciona raigs X d'alta intensitat a una comunitat de recerca diversa en ciència de materials, química, física de la matèria condensada, ciències de la vida i ambientals, i recerca aplicada. Aquests raigs X són ideals per estudiar materials i estructures biològiques, la distribució d'elements, estats químics, magnètics i electrònics, i sistemes d'enginyeria tècnicament importants de tot tipus, des de bateries fins a broquets d'injectors de combustible, que són vitals per a la nostra economia nacional, la tecnologia i el cos, la base de la salut. Cada any, més de 5.000 investigadors utilitzen l'APS per publicar més de 2.000 publicacions que detallen descobriments importants i resolen estructures de proteïnes biològiques més importants que els usuaris de qualsevol altre centre de recerca de raigs X. Els científics i enginyers de l'APS implementen tecnologies innovadores que són la base per millorar el rendiment dels acceleradors i les fonts de llum. Això inclou dispositius d'entrada que produeixen raigs X extremadament brillants molt apreciats pels investigadors, lents que enfoquen els raigs X fins a uns pocs nanòmetres, instruments que maximitzen la manera com els raigs X interactuen amb la mostra en estudi i la recopilació i gestió de descobriments APS. La recerca genera enormes volums de dades.
Aquest estudi va utilitzar recursos d'Advanced Photon Source, un Centre d'Usuaris de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels EUA gestionat pel Laboratori Nacional Argonne per a l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels EUA amb el número de contracte DE-AC02-06CH11357.
El Laboratori Nacional d'Argonne s'esforça per resoldre els problemes urgents de la ciència i la tecnologia nacionals. Com a primer laboratori nacional dels Estats Units, Argonne duu a terme investigació bàsica i aplicada d'avantguarda en pràcticament totes les disciplines científiques. Els investigadors d'Argonne treballen estretament amb investigadors de centenars d'empreses, universitats i agències federals, estatals i municipals per ajudar-los a resoldre problemes específics, fer avançar el lideratge científic dels EUA i preparar la nació per a un futur millor. Argonne dóna feina a empleats de més de 60 països i està gestionat per UChicago Argonne, LLC de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels EUA.
L'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels Estats Units és el principal defensor de la recerca bàsica en ciències físiques del país, i treballa per abordar alguns dels problemes més urgents del nostre temps. Per a més informació, visiteu https://energy.gov/scienceience.