Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har en lång historia av banbrytande upptäckter inom området litiumjonbatterier. Många av dessa resultat är för batterikatoden, kallad NMC, nickelmangan och koboltoxid. Ett batteri med denna katod driver nu Chevrolet -bulten.
Argonne -forskare har uppnått ytterligare ett genombrott i NMC -katoder. Teamets nya lilla katodpartikelstruktur kan göra batteriet mer hållbart och säkrare, kunna arbeta med mycket höga spänningar och ge längre reseavtal.
"Vi har nu vägledning som batteritillverkare kan använda för att göra högtryck, gränslösa katodmaterial," Khalil Amin, Argonne-stipendiat.
"Befintliga NMC -katoder utgör ett stort hinder för högspänningsarbete", säger assistentkemisten Guiliang XU. Med laddningsladdningscykling sjunker prestandan snabbt på grund av bildningen av sprickor i katodpartiklarna. I decennier har batteriforskare letat efter sätt att reparera dessa sprickor.
En metod i det förflutna använde små sfäriska partiklar bestående av många mycket mindre partiklar. Stora sfäriska partiklar är polykristallina, med kristallina domäner av 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 i dem.
Ett annat sätt att undvika denna typ av sprickor är att använda enkristallpartiklar. Elektronmikroskopi av dessa partiklar visade att de inte har några gränser.
Problemet för teamet var att katoder tillverkade av belagda polykristaller och enstaka kristaller fortfarande knäckt under cykling. Därför genomförde de en omfattande analys av dessa katodmaterial vid Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanomaterials (CNM) vid US Department of Energy's 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 enda kristall, som visas av elektron- och röntgenmikroskopi, faktiskt hade en gräns inuti. Skanning och transmissionselektronmikroskopi av CNMS bekräftade denna slutsats.
"När vi tittade på ytmorfologin hos dessa partiklar såg de ut som enstaka kristaller," sade fysiker 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 边界 边界 在。 在。”"Men när vi använde en teknik som heter Synchrotron röntgendiffraktionsmikroskopi och andra tekniker vid APS, fann vi att gränserna gömdes inuti."
Det är viktigt att teamet har utvecklat en metod för att producera enstaka kristaller utan gränser. Testning av små celler med denna enkelkristallkatod vid mycket höga spänningar visade en 25% ökning av energilagring per enhetsvolym med praktiskt taget ingen förlust i prestanda över 100 testcykler. Däremot visade NMC-katoder som består av enstaka kristaller eller belagda polykristaller en kapacitetsfall på 60% till 88% under samma livslängd.
Beräkningar av atomskala avslöjar mekanismen för katodkapacitansreduktion. Enligt Maria Chang, en nanovetenskapsman vid CNM, är det mer troligt att gränser förlorar syreatomer när batteriet är laddade än områden längre bort från dem. Denna förlust av syre leder till nedbrytning av cellcykeln.
"Våra beräkningar visar hur gränsen kan leda till att syre släpps vid högt tryck, vilket kan leda till minskad prestanda," sade Chan.
Att eliminera gränsen förhindrar syreutveckling och därigenom förbättrar katodens säkerhet och cykliska stabilitet. Syreutvecklingsmätningar med AP: er och en avancerad ljuskälla vid US Department of Energy's 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 fungerar vid högt tryck," sade Khalil Amin, Argonne -stipendiaten 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 andra katodmaterial än NMC."
En artikel om denna studie dök upp 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 Zonghai Chen. 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 US Department of Energy Nanotechnology Research Centers, är den främsta nationella användarinstitutionen för tvärvetenskaplig nanoskala forskning som stöds av US Department of Energy's Office of Science. Tillsammans bildar NSRC: er en svit med kompletterande anläggningar som ger forskare modernaste kapacitet för tillverkning, bearbetning, karakterisering och modellering av nanoskala-material och representerar de största infrastrukturinvesteringarna under Nanotechnology Initiative. NSRC ligger vid US Department of Energy National Laboratories i Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia och Los Alamos. För mer information om NSRC DOE, besök https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie s-at -a blick.
Det amerikanska Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory är en av de mest produktiva röntgenkällorna i världen. APS tillhandahåller röntgenstrålar med hög intensitet till ett mångfaldigt forskarsamhälle inom materialvetenskap, kemi, kondenserad materiefysik, livs- och miljövetenskap och tillämpad forskning. Dessa röntgenstrålar är idealiska för att studera material och biologiska strukturer, fördelningen av element, kemiska, magnetiska och elektroniska tillstånd och tekniskt viktiga tekniska system av alla slag, från batterier till bränsleinsprutmunstycken, som är avgörande för vår nationella ekonomi, teknik. och kropp grunden för hälsa. Varje år använder mer än 5 000 forskare AP: er för att publicera mer än 2 000 publikationer som beskriver viktiga upptäckter och lösa viktigare biologiska proteinstrukturer än användare av något annat röntgenforskningscenter. APS -forskare och ingenjörer implementerar innovativa tekniker som är grunden för att förbättra prestandan hos acceleratorer och ljuskällor. Detta inkluderar inmatningsenheter som producerar extremt ljusa röntgenstrålar som är uppskattade av forskare, linser som fokuserar röntgenstrålar ner till några nanometrar, instrument som maximerar hur röntgenstrålar interagerar med provet som studeras och insamling och hantering av APS-upptäckter forskning genererar enorma datavolymer.
Denna studie använde resurser från Advanced Photon Source, ett amerikanskt Department of Energy Office of Science User Center 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 pressande problemen inom inhemsk vetenskap och teknik. Som det första nationella laboratoriet i USA bedriver Argonne den banbrytande grundläggande och tillämpade forskningen inom praktiskt taget alla vetenskapliga disciplin. Argonne -forskare arbetar nära med 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 sysselsätter anställda från över 60 länder och drivs av Uchicago Argonne, LLC från US Department of Energy's Office of Science.
Office of Science of the US Energy Department är landets största förespråkare för grundforskning inom fysiska vetenskaper och arbetar för att ta itu med några av de mest pressande frågorna i vår tid. För mer information, besök https: // energi .gov/science ience.