Даследчыкі Аргонскай нацыянальнай лабараторыі Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE) маюць доўгую гісторыю наватарскіх адкрыццяў у галіне літый-іённых батарэй. Многія з гэтых вынікаў адносяцца да катода батарэі, які называецца NMC, аксіду марганца і кобальту. Акумулятар з такім катодам цяпер сілкуе Chevrolet Bolt.
Даследчыкі Аргона дасягнулі яшчэ аднаго прарыву ў галіне катодаў NMC. Новая малюсенькая структура часціц катода можа зрабіць акумулятар больш трывалым і бяспечным, здольным працаваць пры вельмі высокім напружанні і забяспечваць вялікую далёкасць ходу.
«Цяпер у нас ёсць рэкамендацыі, якія вытворцы акумулятараў могуць выкарыстоўваць для вырабу катодных матэрыялаў без межаў пад высокім ціскам», — сказаў Халіл Амін, заслужаны супрацоўнік Аргоны.
«Існуючыя катоды NMC з'яўляюцца сур'ёзнай перашкодай для працы з высокім напругай», - сказаў памочнік хіміка Гуйлян Сюй. Пры цыкле зарада-разраду прадукцыйнасць хутка падае з-за адукацыі расколін у часціцах катода. На працягу дзесяцігоддзяў даследчыкі батарэй шукалі спосабы ліквідацыі гэтых расколін.
Адзін з метадаў у мінулым выкарыстоўваў малюсенькія сферычныя часціцы, якія складаюцца з мноства значна больш дробных часціц. Буйныя сферычныя часціцы полікрышталічныя, з крышталічнымі даменамі рознай арыентацыі. У выніку яны маюць тое, што навукоўцы называюць мяжой зерняў паміж часціцамі, што можа выклікаць расколіны батарэі падчас цыкла. Каб прадухіліць гэта, калегі Сю і Аргона раней распрацавалі ахоўнае палімернае пакрыццё вакол кожнай часціцы. Гэта пакрыццё акружае буйныя сферычныя часціцы і больш дробныя часціцы ўнутры іх.
Яшчэ адзін спосаб пазбегнуць такога роду парэпання - выкарыстоўваць монакрышталічныя часціцы. Электронная мікраскапія гэтых часціц паказала, што яны не маюць межаў.
Праблема для каманды заключалася ў тым, што катоды, зробленыя з пакрытых полікрышталяў і монакрышталяў, усё яшчэ трэскаліся падчас цыкла. Такім чынам, яны правялі шырокі аналіз гэтых катодных матэрыялаў у Advanced Photon Source (APS) і Цэнтры нанаматэрыялаў (CNM) у Аргонскім навуковым цэнтры Міністэрства энергетыкі ЗША.
Розныя рэнтгенаўскія аналізы былі праведзены на пяці руках APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C і 34-ID-E). Аказваецца, тое, што навукоўцы лічылі монакрышталем, як паказалі электронная і рэнтгенаўская мікраскапія, насамрэч мела мяжу ўнутры. Сканіравальная і трансмісійная электронная мікраскапія CNM пацвердзіла гэтую выснову.
«Калі мы глядзелі на марфалогію паверхні гэтых часціц, яны выглядалі як адзінкавыя крышталі», - сказаў фізік Вэньцзюнь Лю. 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。”«Аднак, калі мы выкарыстоўвалі тэхніку пад назвай сінхратронная рэнтгенаўская дыфракцыйная мікраскапія і іншыя метады ў APS, мы выявілі, што межы былі схаваныя ўнутры».
Важна адзначыць, што каманда распрацавала метад атрымання монакрышталяў без межаў. Тэставанне невялікіх элементаў з гэтым монакрышталічным катодам пры вельмі высокім напружанні паказала павелічэнне назапашвання энергіі на адзінку аб'ёму на 25% практычна без страты прадукцыйнасці на працягу 100 цыклаў выпрабаванняў. Наадварот, NMC-катоды, якія складаюцца з монакрышталяў або полікрышталяў з пакрыццём, паказалі падзенне ёмістасці ад 60% да 88% за той жа тэрмін службы.
Разлікі ў атамным маштабе раскрываюць механізм памяншэння катоднай ёмістасці. Па словах Марыі Чанг, нанавучонага з CNM, больш верагодна, што межы страцяць атамы кіслароду, калі акумулятар зараджаны, чым вобласці, якія знаходзяцца далей ад іх. Гэтая страта кіслароду прыводзіць да дэградацыі клеткавага цыклу.
«Нашы разлікі паказваюць, як мяжа можа прывесці да выкіду кіслароду пад высокім ціскам, што можа прывесці да зніжэння прадукцыйнасці», - сказаў Чан.
Ліквідацыя мяжы прадухіляе вылучэнне кіслароду, тым самым паляпшаючы бяспеку і цыклічную стабільнасць катода. Вымярэнні вылучэння кіслароду з дапамогай APS і перадавой крыніцы святла ў Нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса Берклі Міністэрства энергетыкі ЗША пацвярджаюць гэтую выснову.
«Цяпер у нас ёсць рэкамендацыі, якія вытворцы акумулятараў могуць выкарыстоўваць для вырабу катодных матэрыялаў, якія не маюць межаў і працуюць пад высокім ціскам», — сказаў Халіл Амін, ганаровы стыпендыят Аргоны. 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。”«Рэкамендацыі павінны прымяняцца да катодных матэрыялаў, акрамя NMC».
Артыкул аб гэтым даследаванні з'явіўся ў часопісе Nature Energy. Акрамя Сюй, Аміна, Лю і Чанга, аўтарамі Аргонскай кнігі з'яўляюцца Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чэнь Чжао, Сіньвэй Чжоу, Юйзі Лю, Лян Ін, Амін Даалі, Ян Рэн, Вэньцянь Сюй, Цзюнцзін Дэн, Інхуэй Хван, Чэнцзюнь Сун, Тао Чжоу, Мін Ду і Цзунхай Чэнь. Навукоўцы з Нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса Берклі (Ванлі Ян, Цынцянь Лі і Цзэнцін Чжо), Сямэньскага ўніверсітэта (Цзін-Цзін Фан, Лін Хуан і Шы-Ган Сун) і Універсітэта Цінхуа (Дуншэн Рэн, Сюнін Фэн і Мінгаа Уян).
Пра Аргонскі цэнтр нанаматэрыялаў Цэнтр нанаматэрыялаў, адзін з пяці навукова-даследчых цэнтраў нанатэхналогій Міністэрства энергетыкі ЗША, з'яўляецца галоўнай нацыянальнай установай-карыстальнікам міждысцыплінарных нанаматэрыялаў, якую падтрымлівае Упраўленне навукі Міністэрства энергетыкі ЗША. Разам NSRC утвараюць набор узаемадапаўняльных аб'ектаў, якія забяспечваюць даследчыкаў самымі сучаснымі магчымасцямі для вырабу, апрацоўкі, характарыстыкі і мадэлявання нанапамерных матэрыялаў і ўяўляюць сабой найбуйнейшую інвестыцыю ў інфраструктуру ў рамках Нацыянальнай нанатэхналагічнай ініцыятывы. NSRC знаходзіцца ў Нацыянальных лабараторыях Міністэрства энергетыкі ЗША ў Аргоне, Брукхейвене, Лорэнс Берклі, Ок-Рыдж, Сандыя і Лос-Аламас. Для атрымання дадатковай інфармацыі аб NSRC DOE наведайце https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​з​-​​погляду.
Удасканаленая крыніца фатонаў (APS) Міністэрства энергетыкі ЗША ў Аргонскай нацыянальнай лабараторыі з'яўляецца адной з самых прадукцыйных крыніц рэнтгенаўскага выпраменьвання ў свеце. APS забяспечвае высокаінтэнсіўнае рэнтгенаўскае выпраменьванне разнастайнай даследчай супольнасці ў галіне матэрыялазнаўства, хіміі, фізікі кандэнсаванага стану, навук аб жыцці і навакольнага асяроддзя і прыкладных даследаванняў. Гэтыя рэнтгенаўскія прамяні ідэальна падыходзяць для вывучэння матэрыялаў і біялагічных структур, размеркавання элементаў, хімічных, магнітных і электронных станаў, а таксама тэхнічна важных інжынерных сістэм усіх відаў, ад акумулятараў да фарсунак паліўных фарсунак, якія жыццёва важныя для нашай нацыянальнай эканомікі, тэхналогій . і цела Аснова здароўя. Кожны год больш за 5000 даследчыкаў выкарыстоўваюць APS для публікацыі больш за 2000 публікацый, у якіх падрабязна апісваюцца важныя адкрыцці і разгадваюцца больш важныя біялагічныя бялковыя структуры, чым карыстальнікі любога іншага цэнтра рэнтгенаўскіх даследаванняў. Навукоўцы і інжынеры APS ўкараняюць інавацыйныя тэхналогіі, якія з'яўляюцца асновай для павышэння прадукцыйнасці паскаральнікаў і крыніц святла. Гэта ўключае ў сябе прылады ўводу, якія ствараюць надзвычай яркія рэнтгенаўскія прамяні, якія цэняцца даследчыкамі, лінзы, якія факусуюць рэнтгенаўскія прамяні да некалькіх нанаметраў, інструменты, якія максімальна павялічваюць спосаб узаемадзеяння рэнтгенаўскіх прамянёў з даследуемым узорам, а таксама збор і кіраванне адкрыццямі APS Даследаванні ствараюць велізарныя аб'ёмы даных.
У гэтым даследаванні былі выкарыстаны рэсурсы Advanced Photon Source, Цэнтра карыстальнікаў Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША, які кіруецца Аргонскай нацыянальнай лабараторыяй для Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША па кантракту з нумарам DE-AC02-06CH11357.
Аргонская нацыянальная лабараторыя імкнецца вырашаць актуальныя праблемы айчыннай навукі і тэхнікі. Як першая нацыянальная лабараторыя ў Злучаных Штатах, Argonne праводзіць перадавыя фундаментальныя і прыкладныя даследаванні практычна ва ўсіх навуковых дысцыплінах. Даследчыкі Аргона цесна супрацоўнічаюць з даследчыкамі з сотняў кампаній, універсітэтаў і федэральных, дзяржаўных і муніцыпальных устаноў, каб дапамагчы ім вырашыць канкрэтныя праблемы, павысіць навуковае лідэрства ЗША і падрыхтаваць нацыю да лепшай будучыні. Кампанія Argonne налічвае супрацоўнікаў з больш чым 60 краін, і кіруе кампаніяй UChicago Argonne, LLC Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША.
Упраўленне навукі Міністэрства энергетыкі ЗША з'яўляецца найбуйнейшым у краіне прыхільнікам фундаментальных даследаванняў у галіне фізічных навук, якое працуе над вырашэннем некаторых з найбольш актуальных праблем нашага часу. Для атрымання дадатковай інфармацыі наведайце https://​energy​.gov/​science​ience.