Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) können auf eine lange Geschichte bahnbrechender Entdeckungen auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien zurückblicken. Viele dieser Ergebnisse beziehen sich auf die Batteriekathode, NMC genannt, Nickel-Mangan und Kobaltoxid. Eine Batterie mit dieser Kathode treibt jetzt den Chevrolet Bolt an.
Argonne-Forscher haben einen weiteren Durchbruch bei NMC-Kathoden erzielt. Die neue winzige Kathodenpartikelstruktur des Teams könnte die Batterie langlebiger und sicherer machen, sie könnte bei sehr hohen Spannungen betrieben werden und größere Reichweiten bieten.
„Wir haben jetzt Leitlinien, die Batteriehersteller nutzen können, um randlose Hochdruck-Kathodenmaterialien herzustellen“, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Vorhandene NMC-Kathoden stellen eine große Hürde für Hochspannungsarbeiten dar“, sagte der stellvertretende Chemiker Guiliang Xu. Bei Lade-Entlade-Zyklen sinkt die Leistung aufgrund der Bildung von Rissen in den Kathodenpartikeln schnell. Seit Jahrzehnten suchen Batterieforscher nach Möglichkeiten, diese Risse zu reparieren.
Bei einer früheren Methode wurden winzige kugelförmige Partikel verwendet, die aus vielen, viel kleineren Partikeln bestanden. Große kugelförmige Partikel sind polykristallin und weisen kristalline Domänen unterschiedlicher Ausrichtung auf. Dadurch entstehen sogenannte Korngrenzen zwischen den Partikeln, die dazu führen können, dass die Batterie während eines Zyklus reißt. Um dies zu verhindern, hatten die Kollegen von Xu und Argonne zuvor eine schützende Polymerbeschichtung um jedes Partikel herum entwickelt. Diese Beschichtung umgibt große kugelförmige Partikel und kleinere Partikel darin.
Eine andere Möglichkeit, diese Art von Rissbildung zu vermeiden, ist die Verwendung von Einkristallpartikeln. Elektronenmikroskopische Untersuchungen dieser Partikel zeigten, dass sie keine Grenzen haben.
Das Problem für das Team bestand darin, dass Kathoden aus beschichteten Polykristallen und Einkristallen beim Radfahren immer noch Risse bekamen. Daher führten sie eine umfassende Analyse dieser Kathodenmaterialien am Advanced Photon Source (APS) und Center for Nanomaterials (CNM) im Argonne Science Center des US-Energieministeriums durch.
An fünf APS-Armen (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C und 34-ID-E) wurden verschiedene Röntgenanalysen durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass das, was Wissenschaftler für einen Einkristall hielten, wie Elektronen- und Röntgenmikroskopie zeigte, tatsächlich eine Grenze im Inneren hatte. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie von CNMs bestätigten diese Schlussfolgerung.
„Als wir uns die Oberflächenmorphologie dieser Partikel ansahen, sahen sie aus wie Einkristalle“, sagte der Physiker Wenjun Liu. â�<“但是, 当我们在APS 使用一种称为同步加速器现边界隐藏在内部.“ 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, 我们现 边界 隐藏 在.“„Als wir jedoch eine Technik namens Synchrotron-Röntgenbeugungsmikroskopie und andere Techniken bei APS verwendeten, stellten wir fest, dass die Grenzen im Inneren verborgen waren.“
Wichtig ist, dass das Team eine Methode entwickelt hat, um Einkristalle ohne Grenzen herzustellen. Das Testen kleiner Zellen mit dieser Einkristallkathode bei sehr hohen Spannungen zeigte eine 25-prozentige Steigerung der Energiespeicherung pro Volumeneinheit, ohne dass es über 100 Testzyklen zu praktisch keinem Leistungsverlust kam. Im Gegensatz dazu zeigten NMC-Kathoden, die aus Multi-Interface-Einkristallen oder beschichteten Polykristallen bestanden, einen Kapazitätsabfall von 60 % bis 88 % über die gleiche Lebensdauer.
Berechnungen auf atomarer Skala enthüllen den Mechanismus der Verringerung der Kathodenkapazität. Laut Maria Chang, einer Nanowissenschaftlerin am CNM, ist es wahrscheinlicher, dass Grenzen beim Laden der Batterie Sauerstoffatome verlieren als Bereiche, die weiter von ihnen entfernt sind. Dieser Sauerstoffverlust führt zu einer Verschlechterung des Zellzyklus.
„Unsere Berechnungen zeigen, wie die Grenze dazu führen kann, dass Sauerstoff unter hohem Druck freigesetzt wird, was zu einer verminderten Leistung führen kann“, sagte Chan.
Durch die Beseitigung der Grenze wird die Sauerstoffentwicklung verhindert und dadurch die Sicherheit und Zyklenstabilität der Kathode verbessert. Messungen der Sauerstoffentwicklung mit APS und einer fortschrittlichen Lichtquelle im Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums bestätigen diese Schlussfolgerung.
„Jetzt haben wir Richtlinien, die Batteriehersteller nutzen können, um Kathodenmaterialien herzustellen, die keine Grenzen kennen und unter hohem Druck arbeiten“, sagte 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。“„Richtlinien sollten für andere Kathodenmaterialien als NMC gelten.“
Ein Artikel über diese Studie erschien in der Zeitschrift Nature Energy. Neben Xu, Amin, Liu und Chang sind die argonnischen Autoren 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 und Zonghai Chen. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li und Zengqing Zhuo), der Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang und Shi-Gang Sun) und der Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng und Mingao Ouyang).
Über das Argonne Center for Nanomaterials Das Center for Nanomaterials, eines von fünf Nanotechnologie-Forschungszentren des US-Energieministeriums, ist die führende nationale Nutzerinstitution für interdisziplinäre Nanoforschung, die vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt wird. Zusammen bilden NSRCs eine Reihe sich ergänzender Einrichtungen, die Forschern hochmoderne Fähigkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung nanoskaliger Materialien bieten und die größte Infrastrukturinvestition im Rahmen der National Nanotechnology Initiative darstellen. Das NSRC befindet sich in den National Laboratories des US-Energieministeriums in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia und Los Alamos. Weitere Informationen zum NSRC DOE finden Sie unter 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​​Blick.
Die Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums im Argonne National Laboratory ist eine der produktivsten Röntgenquellen der Welt. APS stellt hochintensive Röntgenstrahlen für eine vielfältige Forschungsgemeinschaft in den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Forschung bereit. Diese Röntgenstrahlen sind ideal für die Untersuchung von Materialien und biologischen Strukturen, der Verteilung von Elementen, chemischen, magnetischen und elektronischen Zuständen sowie technisch wichtigen technischen Systemen aller Art, von Batterien bis zu Einspritzdüsen, die für unsere Volkswirtschaft und Technologie von entscheidender Bedeutung sind . und Körper Die Grundlage der Gesundheit. Jedes Jahr nutzen mehr als 5.000 Forscher APS, um mehr als 2.000 Publikationen zu veröffentlichen, die wichtige Entdeckungen detailliert beschreiben und wichtigere biologische Proteinstrukturen aufklären, als die Nutzer jedes anderen Röntgenforschungszentrums. APS-Wissenschaftler und Ingenieure implementieren innovative Technologien, die die Grundlage für die Verbesserung der Leistung von Beschleunigern und Lichtquellen bilden. Dazu gehören Eingabegeräte, die von Forschern geschätzte extrem helle Röntgenstrahlen erzeugen, Linsen, die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Art und Weise maximieren, wie Röntgenstrahlen mit der untersuchten Probe interagieren, sowie die Sammlung und Verwaltung von APS-Entdeckungen Forschung erzeugt riesige Datenmengen.
Diese Studie nutzte Ressourcen von Advanced Photon Source, einem Benutzerzentrum des US Department of Energy Office of Science, das vom Argonne National Laboratory für das US Department of Energy Office of Science unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 betrieben wird.
Das Argonne National Laboratory ist bestrebt, die drängenden Probleme der heimischen Wissenschaft und Technologie zu lösen. Als erstes nationales Labor in den Vereinigten Staaten betreibt Argonne hochmoderne Grundlagen- und angewandte Forschung in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung spezifischer Probleme zu helfen, die wissenschaftliche Führung der USA auszubauen und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Argonne beschäftigt Mitarbeiter aus über 60 Ländern und wird von UChicago Argonne, LLC des Office of Science des US-Energieministeriums betrieben.
Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der landesweit größte Förderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften und arbeitet an der Lösung einiger der dringendsten Probleme unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://​energy​.gov/​science​ience.