Els investigadors del Laboratori Nacional Argonne del Departament d'Energia dels EUA (DOE) tenen una llarga història de descobriments pioners en el camp de les bateries d'ions de liti. 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.
Els investigadors d'Argonne han aconseguit un altre avenç en els càtodes NMC. La nova estructura de partícules de càtode minúscula de l'equip podria fer que la bateria sigui més duradora i segura, capaç de funcionar a tensions molt altes i proporcionar intervals de viatge més llargs.
"Ara tenim una orientació que els fabricants de bateries poden utilitzar per fabricar materials de càtode sense vores d'alta pressió", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Els càtodes NMC existents presenten un obstacle important per al treball d'alta tensió", va dir el químic ajudant Guiliang Xu. Amb el cicle de càrrega-descàrrega, el rendiment cau 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 en el passat utilitzava petites partícules esfèriques compostes per moltes partícules molt més petites. Les partícules esfèriques grans són policristalines, amb dominis cristal·lins de diverses orientacions. Com a resultat, tenen el que els científics anomenen límits de gra entre partícules, que poden fer que la bateria s'esquerde 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 partícules esfèriques grans i partícules més petites dins d'elles.
Una altra manera d'evitar aquest tipus d'esquerdes és utilitzar partícules d'un sol cristall. La microscòpia electrònica d'aquestes partícules va demostrar que no tenen límits.
El problema per a l'equip va ser que els càtodes fets de policristalls recoberts i cristalls senzills encara s'esquerdaven durant el ciclisme. Per tant, van realitzar una àmplia anàlisi d'aquests materials de càtode a la font de fotons avançada (APS) i al Centre de nanomaterials (CNM) del Centre de Ciència Argonne del Departament d'Energia dels Estats Units.
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 únic cristall, tal com mostra la microscòpia electrònica i de raigs X, en realitat tenia un límit a l'interior. La microscòpia electrònica d'exploració i transmissió de CNM va confirmar aquesta conclusió.
"Quan vam mirar la morfologia superficial d'aquestes partícules, semblaven cristalls únics", 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 微 镜 的 和 朗 抶 朗 同步 加速器们 发现 边界 隐藏 在。”"No obstant això, quan vam utilitzar una tècnica anomenada microscòpia de difracció de raigs X de sincrotró i altres tècniques a l'APS, vam trobar que els límits estaven ocults a l'interior".
És important destacar que l'equip ha desenvolupat un mètode per produir cristalls únics sense límits. Les proves de cèl·lules petites amb aquest càtode d'un sol cristall a tensions molt altes van mostrar un augment del 25% en l'emmagatzematge d'energia per unitat de volum sense pràcticament pèrdua de rendiment durant 100 cicles de prova. En canvi, els càtodes NMC compostos per cristalls únics 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 capacitat 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 l'oxigen s'alliberi a alta pressió, cosa que pot provocar un rendiment reduït", va dir Chan.
L'eliminació del límit evita 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 tenen límits i funcionen a alta pressió", va dir 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。”"Les directrius s'han d'aplicar a materials de càtode diferents de 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, Ming Du i Zonghai Chen. 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 EUA, és la principal institució nacional d'usuaris per a la investigació interdisciplinària a nanoescala amb el suport de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels EUA. En conjunt, els NSRC formen un conjunt d'instal·lacions complementàries que proporcionen als investigadors capacitats d'última generació per fabricar, processar, caracteritzar i modelar materials a nanoescala i representen la inversió en infraestructura més gran sota la Iniciativa Nacional de Nanotecnologia. El NSRC es troba als laboratoris nacionals del Departament d'Energia dels EUA a Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Per obtenir més informació sobre el NSRC DOE, visiteu https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ ​e​​a​c​i​l​it​ie​ie​s​​a​-a​​Glough.
La font avançada de fotons (APS) del Departament d'Energia dels EUA al Laboratori Nacional d'Argonne és una de les fonts de raigs X més productives del món. APS proporciona raigs X d'alta intensitat a una comunitat de recerca diversa en ciències dels materials, química, física de la matèria condensada, ciències de la vida i del medi ambient i investigació 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'injecció de combustible, que són vitals per a la nostra economia, tecnologia nacionals. . i el cos La base de la salut. Cada any, més de 5.000 investigadors utilitzen 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 d'APS estan implementant 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 apreciats pels investigadors, lents que enfocan els raigs X fins a uns pocs nanòmetres, instruments que maximitzen la manera com els raigs X interaccionen amb la mostra en estudi i la recollida i gestió dels descobriments d'APS. La investigació genera grans 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 operat 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 domèstiques. Com a primer laboratori nacional dels Estats Units, Argonne realitza recerca 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, avançar en 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 EUA és el principal defensor de la investigació bàsica en ciències físiques del país, treballant per abordar alguns dels problemes més urgents del nostre temps. Per obtenir més informació, visiteu https://​energy​.gov/​science​ience.