Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine lange Geschichte bahnbrechender Entdeckungen auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien. Viele dieser Ergebnisse betreffen die Batteriekathode, genannt NMC, Nickel-Mangan- und Kobaltoxid. Eine Batterie mit dieser Kathode treibt nun 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 für den Betrieb bei sehr hohen Spannungen und größere Reichweiten geeignet machen.
„Wir verfügen jetzt über Richtlinien, die Batteriehersteller zur Herstellung von Hochdruck-Kathodenmaterialien ohne Ränder verwenden können“, so Khalil Amin, emeritierter Argonne Fellow.
„Bestehende NMC-Kathoden stellen eine große Hürde für Hochspannungsarbeiten dar“, sagte der Chemiker Guiliang Xu. Bei Lade- und Entladezyklen sinkt die Leistung aufgrund der Rissbildung in den Kathodenpartikeln rapide. Seit Jahrzehnten suchen Batterieforscher nach Möglichkeiten, diese Risse zu reparieren.
Eine frühere Methode verwendete winzige kugelförmige Partikel, die aus vielen viel kleineren Partikeln zusammengesetzt waren. Große kugelförmige Partikel sind polykristallin und weisen kristalline Bereiche unterschiedlicher Ausrichtung auf. Dadurch bilden sich sogenannte Korngrenzen zwischen den Partikeln, die während eines Ladevorgangs zu Rissen in der Batterie führen können. Um dies zu verhindern, hatten die Kollegen von Xu und Argonne zuvor eine schützende Polymerbeschichtung um jedes Partikel entwickelt. Diese Beschichtung umhüllt große kugelförmige Partikel und die darin enthaltenen kleineren Partikel.
Eine weitere 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 während des Zyklus immer noch Risse bekamen. Daher führten sie umfangreiche Analysen dieser Kathodenmaterialien an der Advanced Photon Source (APS) und dem 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 die Wissenschaftler für einen Einkristall hielten (wie Elektronen- und Röntgenmikroskopie zeigten), tatsächlich eine innere Begrenzung aufwies. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie von CNMs bestätigte diese Schlussfolgerung.
„Als wir uns die Oberflächenmorphologie dieser Partikel ansahen, sahen sie wie Einkristalle aus“, 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 bei APS verwendeten, stellten wir fest, dass die Grenzen im Inneren verborgen waren.“
Besonders hervorzuheben ist, dass das Team ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen ohne Grenzen entwickelt hat. Tests von Kleinzellen mit dieser Einkristallkathode bei sehr hohen Spannungen zeigten eine 25-prozentige Steigerung der Energiespeicherung pro Volumeneinheit bei nahezu keinem Leistungsverlust über 100 Testzyklen. Im Gegensatz dazu zeigten NMC-Kathoden aus Multi-Interface-Einkristallen oder beschichteten Polykristallen bei gleicher Lebensdauer einen Kapazitätsabfall von 60 bis 88 Prozent.
Berechnungen auf atomarer Ebene enthüllen den Mechanismus der Kathodenkapazitätsreduzierung. Laut Maria Chang, Nanowissenschaftlerin am CNM, verlieren Grenzflächen beim Laden der Batterie eher Sauerstoffatome als weiter entfernte Bereiche. Dieser Sauerstoffverlust führt zu einer Beeinträchtigung des Zellzyklus.
„Unsere Berechnungen zeigen, wie die Grenze dazu führen kann, dass Sauerstoff unter hohem Druck freigesetzt wird, was zu einer Leistungsminderung führen kann“, sagte Chan.
Durch die Beseitigung der Grenze wird die Sauerstoffentwicklung verhindert und so die Sicherheit und Zyklenstabilität der Kathode verbessert. Messungen der Sauerstoffentwicklung mit APS und einer modernen Lichtquelle am Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums bestätigen diese Schlussfolgerung.
„Jetzt haben wir Richtlinien, die Batteriehersteller verwenden können, um Kathodenmaterialien herzustellen, die keine Grenzen haben und bei hohem Druck funktionieren“, sagte Khalil Amin, emeritierter Argonne Fellow. 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。“„Für andere Kathodenmaterialien als NMC sollten Richtlinien 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).
Informationen zum 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 die NSRCs eine Reihe sich ergänzender Einrichtungen, die Forschern hochmoderne 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 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​​Glance.
Die Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums am Argonne National Laboratory ist eine der produktivsten Röntgenquellen der Welt. APS versorgt eine vielfältige Forschungsgemeinschaft in den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Festkörperphysik, Bio- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Forschung mit hochintensiven Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen eignen sich ideal für die Untersuchung von Materialien und biologischen Strukturen, der Verteilung von Elementen, chemischen, magnetischen und elektronischen Zuständen sowie technisch wichtiger technischer Systeme aller Art, von Batterien bis hin zu Einspritzdüsen, die für unsere Volkswirtschaft, Technologie und Gesundheit von entscheidender Bedeutung sind. Jedes Jahr nutzen mehr als 5.000 Forscher APS, um mehr als 2.000 Publikationen zu veröffentlichen, in denen sie wichtige Entdeckungen detailliert beschreiben und mehr wichtige biologische Proteinstrukturen entschlüsseln als Benutzer jedes anderen Röntgenforschungszentrums. Wissenschaftler und Ingenieure von APS implementieren innovative Technologien, die die Grundlage für die Verbesserung der Leistung von Beschleunigern und Lichtquellen bilden. Dazu gehören Eingabegeräte, die die von Forschern geschätzten, extrem hellen 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 Erfassung und Verwaltung von APS-Entdeckungen. Die Forschung erzeugt riesige Datenmengen.
Für diese Studie wurden Ressourcen von Advanced Photon Source verwendet, einem Benutzerzentrum des Office of Science des US-Energieministeriums, das vom Argonne National Laboratory für das Office of Science des US-Energieministeriums unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 betrieben wird.
Das Argonne National Laboratory (Argonne National Laboratory) widmet sich der Lösung drängender Probleme der heimischen Wissenschaft und Technologie. Als erstes nationales Labor der USA betreibt Argonne modernste Grundlagen- und angewandte Forschung in nahezu allen wissenschaftlichen Disziplinen. Die Forscher des Argonne National Laboratory arbeiten eng mit Forschern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um diese bei der Lösung spezifischer Probleme zu unterstützen, die wissenschaftliche Führungsrolle der USA zu stärken und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Argonne beschäftigt Mitarbeiter aus über 60 Ländern und wird von der UChicago Argonne, LLC des Office of Science des US-Energieministeriums betrieben.
Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Förderer der physikalischen Grundlagenforschung des Landes und arbeitet an der Lösung einiger der drängendsten Probleme unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://​energy​.gov/​science​ience.