Forscher des Argonne National Laboratory des US Department of Energy (DOE) haben eine lange Geschichte von Pionierentdeckungen auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien. Viele dieser Ergebnisse gelten für die Batteriekathode, NMC, Nickel Mangan und Kobaltoxid. Eine Batterie mit dieser Kathode versorgt jetzt den Chevrolet -Bolzen.
Argonne -Forscher haben einen weiteren Durchbruch in NMC -Kathoden erzielt. Die neue winzige Kathodenpartikelstruktur des Teams könnte die Batterie langlebiger und sicherer machen, in der Lage, bei sehr hohen Spannungen zu arbeiten und längere Reisebereiche bereitzustellen.
„Wir haben nun Anleitungen, die Batteriehersteller verwenden können, um hochdrucklose, grenzenlose Kathodenmaterialien herzustellen“, Khalil Amin, Emeritus von Argonne.
"Bestehende NMC -Kathoden haben eine große Hürde für Hochspannungsarbeiten", sagte der stellvertretende Chemiker Guiliang XU. Mit dem Zyklus der Ladungspartei sinkt die Leistung aufgrund der Bildung von Rissen in den Kathodenpartikeln schnell. Seit Jahrzehnten suchen Batterieforscher nach Möglichkeiten, diese Risse zu reparieren.
Eine Methode in der Vergangenheit verwendete winzige kugelförmige Partikel aus vielen viel kleineren Partikeln. Große kugelförmige Partikel sind polykristallin, mit kristallinen Domänen verschiedener Orientierungen. Infolgedessen haben sie das, was Wissenschaftler Korngrenzen zwischen Partikeln nennen, was dazu führen kann, dass die Batterie während eines Zyklus knackt. Um dies zu verhindern, hatten die Kollegen von Xu und Argonne zuvor eine Schutzpolymerbeschichtung um jedes Partikel entwickelt. Diese Beschichtung umgibt große kugelförmige Partikel und kleinere Partikel in ihnen.
Eine andere Möglichkeit, diese Art von Rissen zu vermeiden, besteht darin, einzelne Kristallpartikel zu verwenden. Die Elektronenmikroskopie dieser Partikel zeigte, dass sie keine Grenzen haben.
Das Problem für das Team war, dass Kathoden aus beschichteten Polykristallen und einzelnen Kristallen, die noch während des Radfahrens geknackt wurden. Daher führten sie eine umfassende Analyse dieser Kathodenmaterialien an der Advanced Photon Source (APS) und des Center for Nanomaterials (CNM) im Argonne Science Center der US -Energieministerium durch.
Verschiedene Röntgenanalysen wurden an fünf APS-Armen (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C und 34-ID-E) durchgeführt. Es stellt sich heraus, dass das, was Wissenschaftler für ein einzelner Kristall hielten, wie durch Elektronen- und Röntgenmikroskopie gezeigt, tatsächlich eine Grenze im Inneren hatte. Die Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie von CNMs bestätigte diese Schlussfolgerung.
"Als wir die Oberflächenmorphologie dieser Partikel betrachteten, sahen sie wie einzelne Kristalle aus", sagte 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。" ""Als wir jedoch eine Technik namens Synchrotron-Röntgenbeugungsmikroskopie und andere Techniken bei APs verwendeten, fanden wir, dass die Grenzen im Inneren verborgen waren."
Wichtig ist, dass das Team eine Methode zur Herstellung von Einzelkristallen ohne Grenzen entwickelt hat. Das Testen kleiner Zellen mit dieser Einzelkristallkathode bei sehr hohen Spannungen zeigte einen Anstieg der Energiespeicherung pro Einheitsvolumen mit praktisch ohne Leistungsverlust über 100 Testzyklen. Im Gegensatz dazu zeigten NMC-Kathoden, die aus Einzelkristallen oder beschichteten Polykristallen aus mehreren Schnittstellen bestanden, einen Kapazitätsabfall von 60% auf 88% über die gleiche Lebensdauer.
Atomkala -Berechnungen zeigen den Mechanismus der Kathodenkapazitätsreduzierung. Laut Maria Chang, einem Nanowissenschaftler bei CNM, verlieren Grenzen eher Sauerstoffatome, wenn die Batterie aufgeladen wird als Bereiche weiter von ihnen entfernt. Dieser Sauerstoffverlust führt zu einer Verschlechterung des Zellzyklus.
"Unsere Berechnungen zeigen, wie die Grenze dazu führen kann, dass Sauerstoff mit hohem Druck freigesetzt wird, was zu einer verringerten Leistung führen kann", sagte Chan.
Durch die Beseitigung der Grenze wird die Sauerstoffentwicklung verhindert, wodurch die Sicherheit und zyklische Stabilität der Kathode verbessert wird. Sauerstoffentwicklungsmessungen mit APS und eine fortschrittliche Lichtquelle im Lawrence Berkeley National Laboratory des US -Energieministeriums bestätigen diese Schlussfolgerung.
"Jetzt haben wir Richtlinien, dass Batteriehersteller Kathodenmaterial herstellen können, die keine Grenzen haben und mit hohem Druck arbeiten", sagte Khalil Amin, Emeritus von 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。""Richtlinien sollten für andere Kathodenmaterialien als NMC gelten."
Ein Artikel über diese Studie erschien in der Zeitschrift Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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, and Zonghai Chen. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li und Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing-Fan, Ling Huang und Shi-Gangang Sun) und Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng und Mingaooang).
Über das Argonne -Zentrum für Nanomaterialien Das Zentrum für Nanomaterialien, eines von fünf US -amerikanischen Forschungszentren für Nanotechnologie, ist die führende nationale Nutzerinstitution für interdisziplinäre nanoskalige Forschung, die vom Büro für Wissenschaft des US -amerikanischen Energieministeriums unterstützt wird. Zusammen bilden NSRCs eine Reihe komplementärer Einrichtungen, die Forschern hochmoderne Fähigkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung nanoskaliger Materialien bieten und die größte Infrastrukturinvestition im Rahmen der Nanotechnologie-Initiative darstellen. Die NSRC befindet sich im US -amerikanischen National Laboratories 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 leuchtete das/us er-f a c i l it dh dh s-einen Blick.
Die Advanced Photon Source (APS) des US-amerikanischen Energieministeriums im Argonne National Laboratory ist eine der produktivsten Röntgenquellen der Welt. APS bietet einer vielfältigen Forschungsgemeinschaft in Materialwissenschaften, Chemie, kondensierter Materie Physik, Leben und Umweltwissenschaften und angewandte Forschung mit hoher Intensität Röntgenaufnahmen. Diese Röntgenstrahlen sind ideal für die Untersuchung von Materialien und biologischen Strukturen, der Verteilung von Elementen, chemischen, magnetischen und elektronischen Zuständen und technisch wichtigen technischen Systemen aller Art, von Batterien bis hin zu Treibstoffinjektorendüsen, die für unsere Volkswirtschaft, Technologie von entscheidender Bedeutung sind. und Körper die Grundlage der Gesundheit. Jedes Jahr verwenden mehr als 5.000 Forscher APs, um mehr als 2.000 Veröffentlichungen zu veröffentlichen, in denen wichtige Entdeckungen beschrieben und wichtigere biologische Proteinstrukturen gelöst werden als Benutzer eines anderen Röntgenforschungszentrums. APS -Wissenschaftler und -ingenieure implementieren innovative Technologien, die die Grundlage für die Verbesserung der Leistung von Beschleunigern und Lichtquellen bilden. Dies umfasst Input-Geräte, die extrem helle Röntgenstrahlen produzieren, die von Forschern geschätzt werden, Linsen, die Röntgenstrahlen auf einige Nanometer konzentrieren, Instrumente, die die Art und Weise, wie Röntgenstrahlen mit der untersuchten Stichprobe interagieren, maximieren, und das Sammeln und Management von APS-Entdeckungen erzeugt große Datenvolumen.
Diese Studie verwendete Ressourcen von Advanced Photon Source, einem vom Argonne National Laboratory für das US-amerikanischen Wissenschaftsministerium des US-amerikanischen Wissenschaftsministeriums unter Vertragsnummer DE-AC02-06Ch11357 betriebene Ressourcen.
Das Argonne National Laboratory ist bestrebt, die dringenden Probleme der Hauswissenschaften und -technologie zu lösen. Als erstes nationales Labor in den Vereinigten Staaten führt Argonne in praktisch jede wissenschaftliche Disziplin innovativen grundlegenden und angewandten Forschungen durch. Argonne -Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten und Bundes-, Landes- und Gemeindeagenturen zusammen, um ihnen dabei zu helfen, spezifische Probleme zu lösen, die wissenschaftliche Führung der USA voranzutreiben und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Argonne beschäftigt Mitarbeiter aus über 60 Ländern und wird von Uchicago Argonne, LLC des US -amerikanischen Gesundheitsministeriums für Naturwissenschaften betrieben.
Das Büro für Wissenschaft des US -Energieministeriums ist der größte Befürworter der Grundlagenforschung in den physischen Wissenschaften des Landes und arbeitet daran, einige der dringendsten Fragen unserer Zeit anzugehen. Weitere Informationen finden Sie unter https: // Energy .gov/Science Ience.