Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) blicken auf eine lange Geschichte bahnbrechender Entdeckungen auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien zurück. Viele dieser Ergebnisse betreffen die Batteriekathode NMC (Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid). Eine Batterie mit dieser Kathode treibt heute den Chevrolet Bolt an.
Forschern des Argonne National Laboratory ist ein weiterer Durchbruch bei NMC-Kathoden gelungen. Die neuartige, winzige Kathodenpartikelstruktur des Teams könnte die Batterie langlebiger und sicherer machen, den Betrieb bei sehr hohen Spannungen ermöglichen und größere Reichweiten bieten.
„Wir verfügen nun über Richtlinien, die Batteriehersteller nutzen können, um randlose Kathodenmaterialien für Hochdruckanwendungen herzustellen“, so Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Die derzeitigen NMC-Kathoden stellen eine große Hürde für Hochspannungsanwendungen dar“, erklärte der Chemiker Guiliang Xu. Durch die wiederholten Lade- und Entladezyklen sinkt die Leistung aufgrund der Rissbildung in den Kathodenpartikeln rapide. Batterieforscher suchen seit Jahrzehnten nach Möglichkeiten, diese Risse zu reparieren.
Eine frühere Methode nutzte winzige, kugelförmige Partikel, die aus vielen viel kleineren Partikeln bestanden. Große kugelförmige Partikel sind polykristallin und weisen kristalline Bereiche mit unterschiedlicher Orientierung auf. Dadurch entstehen sogenannte Korngrenzen zwischen den Partikeln, die während eines Ladezyklus zu Rissen in der Batterie führen können. Um dies zu verhindern, hatten Xu und seine Kollegen von Argonne zuvor eine schützende Polymerbeschichtung um jedes Partikel entwickelt. Diese Beschichtung umschließt die großen kugelförmigen Partikel und die darin enthaltenen kleineren Partikel.
Eine weitere Möglichkeit, diese Art von Rissbildung zu vermeiden, besteht in der Verwendung von Einkristallpartikeln. Elektronenmikroskopische Aufnahmen dieser Partikel zeigten, dass sie keine Korngrenzen aufweisen.
Das Problem für das Team bestand darin, dass Kathoden aus beschichteten Polykristallen und Einkristallen während des Lade-Entlade-Zyklus immer noch Risse bekamen. Daher führten sie umfangreiche Analysen dieser Kathodenmaterialien an der Advanced Photon Source (APS) und am Center for Nanomaterials (CNM) des 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. Dabei zeigte sich, dass das, was Wissenschaftler aufgrund von Elektronen- und Röntgenmikroskopie für einen Einkristall gehalten hatten, tatsächlich eine Korngrenze aufwies. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie der 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.“„Als wir jedoch eine Technik namens Synchrotron-Röntgenbeugungsmikroskopie und andere Techniken am APS anwandten, stellten wir fest, dass die Grenzen im Inneren verborgen waren.“
Das Team hat ein Verfahren zur Herstellung grenzenloser Einkristalle entwickelt. Tests mit kleinen Zellen, die mit dieser Einkristallkathode bei sehr hohen Spannungen getestet wurden, zeigten eine Steigerung der Energiespeicherung pro Volumeneinheit um 25 % bei praktisch keinem Leistungsverlust über 100 Testzyklen. Im Gegensatz dazu wiesen NMC-Kathoden aus Mehrgrenzflächen-Einkristallen oder beschichteten Polykristallen einen Kapazitätsverlust von 60 % bis 88 % über denselben Zeitraum auf.
Berechnungen auf atomarer Ebene enthüllen den Mechanismus der Kathodenkapazitätsreduktion. Laut Maria Chang, Nanowissenschaftlerin am CNM, verlieren Bereiche an den Zellgrenzen beim Laden der Batterie mit höherer Wahrscheinlichkeit Sauerstoffatome als weiter entfernte Bereiche. Dieser Sauerstoffverlust führt zu einer Beeinträchtigung des Zellzyklus.
„Unsere Berechnungen zeigen, wie die Grenzfläche dazu führen kann, dass Sauerstoff unter hohem Druck freigesetzt wird, was zu einer verminderten Leistung führen kann“, sagte Chan.
Durch die Beseitigung der Grenzfläche wird die Sauerstoffentwicklung verhindert, wodurch die Sicherheit und die zyklische Stabilität der Kathode verbessert werden. Sauerstoffentwicklungsmessungen mit APS und einer hochentwickelten Lichtquelle am Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums bestätigen diese Schlussfolgerung.
„Jetzt verfügen wir über Richtlinien, anhand derer Batteriehersteller Kathodenmaterialien herstellen können, die keine Grenzen haben und unter hohem Druck funktionieren“, 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。“„Die Richtlinien sollten auch 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 (NSRC) ist eines von fünf Nanotechnologie-Forschungszentren des US-Energieministeriums und die führende nationale Nutzereinrichtung für interdisziplinäre Nanoforschung, die vom Office of Science des US-Energieministeriums gefördert wird. Die NSRCs bilden zusammen ein Netzwerk komplementärer Einrichtungen, die Forschern modernste Möglichkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung von Nanomaterialien bieten und die größte Infrastrukturinvestition im Rahmen der National Nanotechnology Initiative darstellen. Das NSRC befindet sich an den nationalen Laboratorien des US-Energieministeriums in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia und Los Alamos. Weitere Informationen zum NSRC des US-Energieministeriums finden Sie unter https://science.osti.gov/User-Facilitys/User-Facilitys-at-a-Glance.
Die Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums am Argonne National Laboratory ist eine der leistungsstärksten Röntgenquellen weltweit. Die APS stellt einer vielfältigen Forschungsgemeinschaft in den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Festkörperphysik, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Forschung hochintensive Röntgenstrahlung zur Verfügung. Diese Röntgenstrahlung eignet sich ideal zur Untersuchung von Materialien und biologischen Strukturen, der Verteilung von Elementen, chemischen, magnetischen und elektronischen Zuständen sowie technisch wichtiger Systeme aller Art – von Batterien bis hin zu Kraftstoffeinspritzdüsen. Diese Systeme sind von entscheidender Bedeutung für unsere nationale Wirtschaft, Technologie und Gesundheit. Jedes Jahr nutzen über 5.000 Forscher die APS, um mehr als 2.000 Publikationen zu veröffentlichen, die wichtige Entdeckungen beschreiben und mehr bedeutende biologische Proteinstrukturen aufklären als die Nutzer jedes anderen Röntgenforschungszentrums. Die Wissenschaftler und Ingenieure der APS implementieren innovative Technologien, die die Grundlage für die Verbesserung der Leistung von Beschleunigern und Lichtquellen bilden. Dies umfasst Eingabegeräte, die extrem helle Röntgenstrahlen erzeugen, die von Forschern sehr geschätzt werden, Linsen, die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit der zu untersuchenden Probe maximieren, sowie die Sammlung und Verwaltung von APS-Entdeckungen. Die Forschung erzeugt riesige Datenmengen.
Diese Studie nutzte Ressourcen der Advanced Photon Source, einem Nutzerzentrum des US-Energieministeriums (Office of Science), das vom Argonne National Laboratory im Auftrag des US-Energieministeriums (Office of Science) unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 betrieben wird.
Das Argonne National Laboratory widmet sich der Lösung drängender Probleme der US-amerikanischen Wissenschaft und Technologie. Als erstes nationales Labor der Vereinigten Staaten betreibt Argonne wegweisende Grundlagen- und angewandte Forschung in nahezu allen wissenschaftlichen Disziplinen. Die Forschenden von Argonne arbeiten eng mit Wissenschaftlern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um konkrete Probleme zu lösen, die wissenschaftliche Führungsrolle der USA auszubauen und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Argonne beschäftigt Mitarbeitende aus über 60 Ländern und wird von UChicago Argonne, LLC, einem Unternehmen des Office of Science des US-Energieministeriums, betrieben.
Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Förderer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den USA und arbeitet an der Lösung einiger der drängendsten Probleme unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://energy.gov/science.