Даследчыкі з Аргонскай нацыянальнай лабараторыі Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE) маюць даўнюю гісторыю піянерскіх адкрыццяў у галіне літый-іённых акумулятараў. Многія з гэтых вынікаў тычацца катода акумулятара, які называецца NMC, нікель-марганцавага і кобальтавага аксіду. Акумулятар з такім катодам цяпер забяспечвае працу Chevrolet Bolt.
Даследчыкі з Аргонскага ўніверсітэта дасягнулі чарговага прарыву ў галіне катодаў з нямекаметалічных матэрыялаў (NMC). Новая структура катодных часціц з малюсенькімі часціцамі можа зрабіць батарэю больш трывалай і бяспечнай, здольнай працаваць пры вельмі высокіх напружаннях і забяспечваць большую далёкасць прабегу.
«Цяпер у нас ёсць рэкамендацыі, якія вытворцы акумулятараў могуць выкарыстоўваць для вырабу катодных матэрыялаў высокага ціску без межаў», — сказаў Халіл Амін, ганаровы член Argonne.
«Існуючыя катоды з неметалічнага металу (NMC) уяўляюць сабой сур'ёзную перашкоду для працы з высокім напружаннем», — сказаў памочнік хіміка Гуйлян Сюй. Пры цыклічным зарадзе і разрадзе прадукцыйнасць рэзка зніжаецца з-за ўтварэння расколін у часціцах катода. Дзесяцігоддзямі даследчыкі акумулятараў шукалі спосабы рамонту гэтых расколін.
У мінулым у адным з метадаў выкарыстоўваліся малюсенькія сферычныя часціцы, якія складаюцца з мноства значна меншых часціц. Вялікія сферычныя часціцы з'яўляюцца полікрышталічнымі, з крышталічнымі даменамі рознай арыентацыі. У выніку яны маюць тое, што навукоўцы называюць межамі зерняў паміж часціцамі, што можа прывесці да расколіны батарэі падчас цыклу. Каб прадухіліць гэта, калегі Сюй і Аргона раней распрацавалі ахоўнае палімернае пакрыццё вакол кожнай часціцы. Гэта пакрыццё акружае вялікія сферычныя часціцы і меншыя часціцы ўнутры іх.
Іншы спосаб пазбегнуць такога роду расколін - 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 роўна трэскаліся падчас цыклавання. Таму яны правялі шырокі аналіз гэтых катодных матэрыялаў у Advanced Photon Source (APS) і Цэнтры нанаматэрыялаў (CNM) у Навуковым цэнтры Аргона Міністэрства энергетыкі ЗША.
Розныя рэнтгенаўскія аналізы былі праведзены на пяці плечах APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C і 34-ID-E). Аказалася, што тое, што навукоўцы лічылі монакрышталем, як паказалі электронная і рэнтгенаўская мікраскапія, насамрэч мела ўнутраную мяжу. Сканіруючая і прасвечвальная электронная мікраскапія CNM пацвердзілі гэтую выснову.
«Калі мы паглядзелі на паверхневую марфалогію гэтых часціц, яны выглядалі як монакрышталі», — 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 выкарысталі ў APS тэхніку пад назвай сінхратронная рэнтгенаўскай дыфракцыйная мікраскапія і іншыя метады, мы выявілі, што межы былі схаваныя ўнутры».
Важна адзначыць, што каманда распрацавала метад атрымання монакрышталяў без межаў. Тэставанне невялікіх ячэек з гэтым монакрышталічным катодам пры вельмі высокіх напружаннях паказала павелічэнне назапашвання энергіі на адзінку аб'ёму на 25% практычна без страты прадукцыйнасці на працягу 100 цыклаў выпрабаванняў. У адрозненне ад гэтага, катоды з NMC, якія складаюцца з монакрышталяў з некалькімі інтэрфейсамі або пакрытых полікрышталяў, паказалі падзенне ёмістасці на 60–88% за той жа тэрмін службы.
Разлікі на атамным маштабе раскрываюць механізм зніжэння ёмістасці катода. Паводле слоў Марыі Чанг, нананавукоўца з CNM, межы часцей губляюць атамы кіслароду пры зарадцы батарэі, чым вобласці, якія знаходзяцца далей ад іх. Гэтая страта кіслароду прыводзіць да пагаршэння клеткавага цыклу.
«Нашы разлікі паказваюць, як мяжа можа прывесці да вызвалення кіслароду пад высокім ціскам, што можа прывесці да зніжэння прадукцыйнасці», — сказаў Чан.
Ліквідацыя мяжы прадухіляе выдзяленне кіслароду, тым самым паляпшаючы бяспеку і цыклічную стабільнасць катода. Вымярэнні выдзялення кіслароду з дапамогай APS і ўдасканаленай крыніцы святла ў Нацыянальнай лабараторыі імя Лоўрэнса ў Берклі пры Міністэрстве энергетыкі ЗША пацвярджаюць гэтую выснову.
«Цяпер у нас ёсць рэкамендацыі, якія вытворцы акумулятараў могуць выкарыстоўваць для стварэння катодных матэрыялаў, якія не маюць абмежаванняў і працуюць пад высокім ціскам», — сказаў Халіл Амін, ганаровы член 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。”«Кіраўніцтва павінна распаўсюджвацца на катодныя матэрыялы, 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 Колуру, Чэнь Чжао, Сіньвэй Чжоу, Юйзі Лю, Лян Ін, Амін Даалі, Ян Рэн, Вэньцянь Сюй, Цзюнцзін Дэн, Інхуэй Хван, Чэнцзюнь Сунь, 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).
Аб цэнтры нанаматэрыялаў у Аргоне Цэнтр нанаматэрыялаў, адзін з пяці даследчых цэнтраў у галіне нанатэхналогій Міністэрства энергетыкі ЗША, з'яўляецца вядучай нацыянальнай установай-карыстальнікам міждысцыплінарных нанамаштабных даследаванняў, якія падтрымліваюцца Упраўленнем навукі Міністэрства энергетыкі ЗША. Разам NSRC утвараюць набор дадатковых аб'ектаў, якія забяспечваюць даследчыкаў найноўшымі магчымасцямі для стварэння, апрацоўкі, характарыстыкі і мадэлявання нанамаштабных матэрыялаў і ўяўляюць сабой найбуйнейшыя інвестыцыі ў інфраструктуру ў рамках Нацыянальнай ініцыятывы па нанатэхналогіях. NSRC размешчаны ў Нацыянальных лабараторыях Міністэрства энергетыкі ЗША ў Аргоне, Брукхейвене, Лоўрэнс-Берклі, Оўк-Рыдж, Сандыя і Лос-Аламосе. 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​-​at​-a​​Glance.
Удасканаленая крыніца фатонаў (APS) Міністэрства энергетыкі ЗША ў Аргонскай нацыянальнай лабараторыі з'яўляецца адной з самых прадуктыўных крыніц рэнтгенаўскага выпраменьвання ў свеце. APS забяспечвае высокаінтэнсіўным рэнтгенаўскім выпраменьваннем разнастайную даследчую супольнасць у галіне матэрыялазнаўства, хіміі, фізікі кандэнсаванага стану, навук аб жыцці і навакольным асяроддзі, а таксама прыкладных даследаванняў. Гэта рэнтгенаўскае выпраменьванне ідэальна падыходзіць для вывучэння матэрыялаў і біялагічных структур, размеркавання элементаў, хімічных, магнітных і электронных станаў, а таксама тэхнічна важных інжынерных сістэм усіх відаў, ад батарэй да фарсунак паліўных інжэктараў, якія маюць жыццёва важнае значэнне для нашай нацыянальнай эканомікі, тэхналогій і цела. Аснова здароўя. Штогод больш за 5000 даследчыкаў выкарыстоўваюць APS для публікацыі больш за 2000 публікацый, у якіх падрабязна апісваюцца важныя адкрыцці і рашэнні больш важных біялагічных бялковых структур, чым карыстальнікі любога іншага цэнтра рэнтгеналагічных даследаванняў. Навукоўцы і інжынеры APS укараняюць інавацыйныя тэхналогіі, якія з'яўляюцца асновай для паляпшэння прадукцыйнасці паскаральнікаў і крыніц святла. Сюды ўваходзяць прылады ўводу, якія выпрацоўваюць надзвычай яркія рэнтгенаўскія прамяні, якія цэняцца даследчыкамі, лінзы, якія факусуюць рэнтгенаўскія прамяні даўжынёй да некалькіх нанаметраў, прыборы, якія максімізуюць спосаб узаемадзеяння рэнтгенаўскіх прамянёў з даследуемым узорам, а таксама збор і кіраванне адкрыццямі APS. Даследаванні генеруюць велізарныя аб'ёмы дадзеных.
У гэтым даследаванні выкарыстоўваліся рэсурсы Advanced Photon Source, Цэнтра карыстальнікаў Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША, якім кіруе Нацыянальная лабараторыя Аргон для Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША ў адпаведнасці з кантрактам № DE-AC02-06CH11357.
Нацыянальная лабараторыя Аргон імкнецца вырашаць актуальныя праблемы айчыннай навукі і тэхнікі. Будучы першай нацыянальнай лабараторыяй у Злучаных Штатах, Аргон праводзіць перадавыя фундаментальныя і прыкладныя даследаванні практычна ва ўсіх навуковых дысцыплінах. Даследчыкі Аргона цесна супрацоўнічаюць з даследчыкамі з соцень кампаній, універсітэтаў, а таксама федэральных, дзяржаўных і муніцыпальных устаноў, каб дапамагчы ім вырашаць канкрэтныя праблемы, прасоўваць навуковае лідэрства ЗША і рыхтаваць нацыю да лепшай будучыні. У Аргоне працуюць супрацоўнікі з больш чым 60 краін, і кіруецца UChicago Argonne, LLC Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША.
Навуковае ўпраўленне Міністэрства энергетыкі ЗША з'яўляецца найбуйнейшым у краіне прыхільнікам фундаментальных даследаванняў у галіне фізічных навук і працуе над вырашэннем некаторых з найбольш актуальных праблем нашага часу. Для атрымання дадатковай інфармацыі наведайце https://energy.gov/scienceience.