Els investigadors del Laboratori Nacional del Departament d’Energia dels Estats Units (DOE) Argonne 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 cargol de Chevrolet.
Els investigadors d’Argonne han aconseguit un altre avenç en els càtodes de NMC. La nova estructura de partícules càtodes de l’equip podria fer que la bateria sigui més duradora i segura, capaç d’operar a tensions molt altes i proporcionar intervals de desplaçament més llargs.
"Ara tenim orientació que els fabricants de bateries poden utilitzar per fer materials de càtodes d'alta pressió i sense frontera", Khalil Amin, argó emèrit emèrit.
"Els càtodes NMC existents presenten un obstacle important per a treballs d'alta tensió", va dir el químic adjunt Guiliang Xu. Amb el ciclisme de descàrrega de càrrega, el rendiment baixa 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 partícules esfèriques minúscules 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 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 de protecció al voltant de cada partícula. Aquest recobriment envolta grans partícules esfèriques i partícules més petites dins d'elles.
Una altra manera d’evitar aquest tipus d’esquerdes és utilitzar partícules de cristall únic. La microscòpia electrònica d’aquestes partícules va demostrar que no tenen límits.
El problema de l’equip era que els càtodes fets de policristalls recoberts i cristalls simples encara es van esquerdar durant el ciclisme. Per tant, van realitzar una anàlisi àmplia d’aquests materials càtodes a la font avançada de fotons (APS) i al Centre de Nanomaterials (CNM) al Centre de Ciències de l’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 sol cristall, com demostra la microscòpia d’electrons i raigs X, tenia en realitat un límit al seu interior. La microscòpia electrònica d’escaneig i transmissió de CNMS 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 技术 和 其他 时 ， 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 APS, vam trobar que els límits estaven amagats al seu interior."
És important destacar que l’equip ha desenvolupat un mètode per produir cristalls simples sense límits. La prova de cèl·lules petites amb aquest càtode d’un sol cristall a tensions molt elevades va mostrar un augment del 25% en l’emmagatzematge d’energia per unitat de volum amb pràcticament cap pèrdua en el rendiment de més de 100 cicles de prova. En canvi, els càtodes NMC compostos per cristalls simples de multi-interfície o policristalls recoberts van mostrar una caiguda de capacitat del 60% al 88% durant la mateixa vida.
Els càlculs a escala atòmica revelen el mecanisme de reducció de la capacitança del càtode. Segons Maria Chang, nanocientífic a CNM, els límits són més propensos a perdre àtoms d’oxigen quan la bateria es carrega que les zones més allunyades d’ells. 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 comportar un rendiment reduït", va dir Chan.
L’eliminació del límit impedeix l’evolució de l’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 de la Lawrence Berkeley del Departament d’Energia dels Estats Units confirma aquesta conclusió.
"Ara tenim directrius que els fabricants de bateries poden utilitzar per fabricar materials càtodes que no tenen límits i funcionen a alta pressió", va dir Khalil Amin, argonne fellera emèrita. 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 haurien d'aplicar -se als materials càtodes diferents de la 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 Zhu, Ming Zhou, Ming, Ming, Ming, Ming, Ming, Ming, Ming, Ming Zhou, Ming Zhou, Ming, Ming, Ming, Ming, Ming, Minggjun, Minggjun Du, i Zonghai Chen. Científics del Laboratori Nacional de Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li i Zengqing Zhuo), Universitat de Xiamen (fan de Jing-Jing, Ling Huang i Shi-Gang Sun) i la Universitat de Tsinghua (Dongsheng Ren, Feng Xuning i Mingao Ouyang).
Sobre el Centre d’Argó per a Nanomaterials El Centre de Nanomaterials, un dels cinc centres de recerca del Departament de Nanotecnologia de l’Energia dels Estats Units, és la principal institució d’usuaris nacionals per a la investigació nanoescala interdisciplinària recolzada pel Departament de Ciències del Departament d’Energia dels Estats Units. 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 major inversió en infraestructures sota la iniciativa nacional de nanotecnologia. El NSRC es troba al Departament Nacional de l'Energia dels Laboratoris Nacionals d'Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia i Los Alamos. Per obtenir més informació sobre el NSRC DOE, visiteu https: // ciències .sti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l ie, és a dir, a-a-a una ullada.
El Departament de Photon Source (APS) del Departament d’Energia (APS) del Laboratori Nacional d’Argonne és una de les fonts de raigs X més productives del món. L’APS proporciona radiografies d’alta intensitat a una comunitat de recerca diversa en ciències de materials, química, física de matèria condensada, ciències de la vida i ambiental i investigacions aplicades. Aquestes radiografies 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, tecnologia. 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 detallaven 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 estan implementant tecnologies innovadores que són la base per millorar el rendiment dels acceleradors i fonts de llum. Inclou dispositius d’entrada que produeixen raigs X extremadament brillants preuats per investigadors, lents que centren els rajos X fins a uns nanòmetres, instruments que maximitzen la manera en què els rajos X interaccionen amb la mostra sota estudi i la recollida i la gestió de la investigació de descobriments d’APS genera grans volums de dades.
Aquest estudi va utilitzar recursos de Advanced Photon Source, un Centre d’usuaris del Departament d’Energia dels Estats Units operat pel Laboratori Nacional d’Argonne per al Departament d’Energia de l’Energia dels Estats Units amb el número de contracte DE-AC02-06CH11357.
El Laboratori Nacional d’Argonne s’esforça a resoldre els problemes pressionants de la ciència i la tecnologia domèstiques. Com a primer laboratori nacional als Estats Units, Argonne realitza investigacions bàsiques i aplicades a l'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 Estats Units i preparar el país per a un futur millor. Argonne dóna feina a empleats de més de 60 països i és operada per Uchicago Argonne, LLC de l'Oficina de Ciències del Departament d'Energia dels Estats Units.
L’Oficina de Ciències del Departament d’Energia dels Estats Units és el major defensor de la investigació bàsica del país en ciències físiques, que treballa per abordar alguns dels problemes més urgents del nostre temps. Per obtenir més informació, visiteu https: // energia .gov/ciències.