Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har en lång historia av banbrytande upptäckter inom litiumjonbatterier. Många av dessa resultat gäller batteriets katod, kallad NMC, nickelmangan och koboltoxid. Ett batteri med denna katod driver nu Chevrolet Bolt.
Argonneforskare har gjort ytterligare ett genombrott inom NMC-katoder. Teamets nya små katodpartikelstruktur skulle kunna göra batteriet mer hållbart och säkrare, kunna arbeta vid mycket höga spänningar och ge längre räckvidd.
”Vi har nu riktlinjer som batteritillverkare kan använda för att tillverka högtryckskatodematerial utan kant”, säger Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
”Befintliga NMC-katoder utgör ett stort hinder för högspänningsarbete”, säger biträdande kemist Guiliang Xu. Med laddnings-urladdningscykler minskar prestandan snabbt på grund av bildandet av sprickor i katodpartiklarna. I årtionden har batteriforskare letat efter sätt att reparera dessa sprickor.
En metod använde tidigare små sfäriska partiklar bestående av många mycket mindre partiklar. Stora sfäriska partiklar är polykristallina, med kristallina domäner med olika orienteringar. Som ett resultat har de vad forskare kallar korngränser mellan partiklar, vilket kan få batteriet att spricka under en cykel. För att förhindra detta hade Xu och Argonnes kollegor tidigare utvecklat en skyddande polymerbeläggning runt varje partikel. Denna beläggning omger stora sfäriska partiklar och mindre partiklar inuti dem.
Ett annat sätt att undvika den här typen av sprickbildning är att använda enkristallpartiklar. Elektronmikroskopi av dessa partiklar visade att de inte har några gränser.
Problemet för teamet var att katoder gjorda av belagda polykristaller och enkristaller fortfarande sprack under cyklingen. Därför genomförde de omfattande analyser av dessa katodmaterial vid Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanomaterials (CNM) vid det amerikanska energidepartementets Argonne Science Center.
Olika röntgenanalyser utfördes på fem APS-armar (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C och 34-ID-E). Det visar sig att det som forskare trodde var en enkristall, vilket visas med elektron- och röntgenmikroskopi, faktiskt hade en gräns inuti. Svepelektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi av CNM bekräftade denna slutsats.
"När vi tittade på ytmorfologin hos dessa partiklar såg de ut som enkristaller", sa fysikern 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 皅 旊微镶 的 旊我们 发现 边界 隐藏 在。”"Men när vi använde en teknik som kallas synkrotronröntgendiffraktionsmikroskopi och andra tekniker vid APS, fann vi att gränserna var dolda inuti."
Viktigt är att teamet har utvecklat en metod för att producera enkristaller utan gränser. Testning av små celler med denna enkristallkatod vid mycket höga spänningar visade en ökning med 25 % av energilagringen per volymenhet med praktiskt taget ingen prestandaförlust över 100 testcykler. Däremot visade NMC-katoder bestående av enkristaller med flera gränssnitt eller belagda polykristaller en kapacitetsminskning på 60 % till 88 % under samma livslängd.
Atomskaliga beräkningar avslöjar mekanismen för katodkapacitansreduktion. Enligt Maria Chang, nanoforskare vid CNM, är det mer sannolikt att syreatomer förloras i gränser när batteriet laddas än i områden längre bort från dem. Denna syreförlust leder till en försämring av cellcykeln.
"Våra beräkningar visar hur gränsen kan leda till att syre frigörs vid högt tryck, vilket kan leda till minskad prestanda", sa Chan.
Att eliminera gränsen förhindrar syreutveckling, vilket förbättrar katodens säkerhet och cykliska stabilitet. Mätningar av syreutveckling med APS och en avancerad ljuskälla vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory bekräftar denna slutsats.
”Nu har vi riktlinjer som batteritillverkare kan använda för att tillverka katodmaterial som inte har några gränser och som arbetar vid högt tryck”, säger 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。””Riktlinjer bör gälla för andra katodmaterial än NMC.”
En artikel om denna studie publicerades i tidskriften Nature Energy. Förutom Xu, Amin, Liu och Chang är Argonne-författarna 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 Ming Duo Zhou, och Zonghai Ming Duo Zhou,. Forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li och Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang och Shi-Gang Sun) och Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng och Mingao Ouyang).
Om Argonne Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, ett av fem forskningscentra för nanoteknik inom det amerikanska energidepartementet, är den främsta nationella användarinstitutionen för tvärvetenskaplig nanoskalig forskning som stöds av det amerikanska energidepartementets vetenskapskontor. Tillsammans bildar NSRC:erna en uppsättning kompletterande anläggningar som förser forskare med toppmodern kapacitet för att tillverka, bearbeta, karakterisera och modellera nanoskaliga material och representerar den största infrastrukturinvesteringen inom National Nanotechnology Initiative. NSRC ligger vid det amerikanska energidepartementets nationella laboratorier i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia och Los Alamos. För mer information om NSRC DOE, besök https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User er-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Det amerikanska energidepartementets avancerade fotonkälla (APS) vid Argonne National Laboratory är en av de mest produktiva röntgenkällorna i världen. APS förser ett mångsidigt forskarsamhälle inom materialvetenskap, kemi, kondenserad materiens fysik, livs- och miljövetenskap samt tillämpad forskning med högintensiva röntgenstrålar. Dessa röntgenstrålar är idealiska för att studera material och biologiska strukturer, distribution av element, kemiska, magnetiska och elektroniska tillstånd samt tekniskt viktiga tekniska system av alla slag, från batterier till bränsleinsprutningsmunstycken, vilka är avgörande för vår nationella ekonomi, teknik och kropp – grunden för hälsan. Varje år använder mer än 5 000 forskare APS för att publicera mer än 2 000 publikationer som beskriver viktiga upptäckter och löser viktigare biologiska proteinstrukturer än användare av något annat röntgenforskningscenter. APS-forskare och ingenjörer implementerar innovativa tekniker som ligger till grund för att förbättra prestandan hos acceleratorer och ljuskällor. Detta inkluderar inmatningsenheter som producerar extremt ljusa röntgenstrålar som är högt värderade av forskare, linser som fokuserar röntgenstrålar ner till några nanometer, instrument som maximerar hur röntgenstrålar interagerar med provet som studeras, och insamling och hantering av APS-upptäckter. Forskning genererar enorma datamängder.
Denna studie använde resurser från Advanced Photon Source, ett användarcenter vid US Department of Energy Office of Science som drivs av Argonne National Laboratory för US Department of Energy Office of Science under kontraktsnummer DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory strävar efter att lösa de akuta problemen inom inhemsk vetenskap och teknologi. Som det första nationella laboratoriet i USA bedriver Argonne banbrytande grundforskning och tillämpad forskning inom praktiskt taget alla vetenskapliga discipliner. Argonnes forskare arbetar nära forskare från hundratals företag, universitet och federala, statliga och kommunala myndigheter för att hjälpa dem att lösa specifika problem, främja USA:s vetenskapliga ledarskap och förbereda nationen för en bättre framtid. Argonne har anställda från över 60 länder och drivs av UChicago Argonne, LLC inom US Department of Energy's Office of Science.
Vetenskapskontoret vid det amerikanska energidepartementet är landets största förespråkare för grundforskning inom fysik och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna frågor. För mer information, besök https://energy.gov/scienceience.