Forskare vid det amerikanska energidepartementets (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 Bolt.
Argonne-forskare har uppnått ytterligare ett genombrott inom NMC-katoder. Teamets nya lilla katodpartikelstruktur kan göra batteriet mer hållbart och säkrare, kan fungera vid mycket höga spänningar och ge längre räckvidder.
"Vi har nu vägledning som batteritillverkare kan använda för att göra högtrycks, kantlösa katodmaterial," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Befintliga NMC-katoder utgör ett stort hinder för högspänningsarbete", säger assisterande kemist Guiliang Xu. Med laddnings-urladdningscykler sjunker prestandan snabbt på grund av att det bildas sprickor i katodpartiklarna. I decennier har batteriforskare letat efter sätt att reparera dessa sprickor.
En metod i det förflutna använde små sfäriska partiklar sammansatta av många mycket mindre partiklar. Stora sfäriska partiklar är polykristallina, med kristallina domäner av olika orientering. 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 inom dem.
Ett annat sätt att undvika denna typ av sprickbildning är att använda enkristallpartiklar. Elektronmikroskopi av dessa partiklar visade att de inte har några gränser.
Problemet för laget var att katoder gjorda av belagda polykristaller och enkelkristaller fortfarande spricker under cykling. Därför genomförde de en omfattande analys 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 vad forskarna trodde var en enda kristall, som visades med elektron- och röntgenmikroskopi, faktiskt hade en gräns inuti. Scanning 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 射线衍射显微镜皻倌木微镜皻倅朌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 显微镜 的 时 口们 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 gömda inuti."
Viktigt är att teamet har utvecklat en metod för att producera enkristaller utan gränser. Att testa små celler med denna enkristallkatod vid mycket höga spänningar visade en ökning på 25 % i energilagring per volymenhet med praktiskt taget ingen prestandaförlust under 100 testcykler. Däremot visade NMC-katoder sammansatta av enkristaller med flera gränssnitt eller belagda polykristaller en kapacitetsminskning på 60 % till 88 % under samma livslängd.
Beräkningar i atomskala avslöjar mekanismen för katodkapacitansreduktion. Enligt Maria Chang, en nanoforskare vid CNM, är det mer sannolikt att gränser förlorar syreatomer när batteriet laddas 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 frigörs vid högt tryck, vilket kan leda till minskad prestanda", sa Chan.
Att eliminera gränsen förhindrar syreutveckling, vilket förbättrar katodens säkerhet och cykliska stabilitet. Syreutvecklingsmätningar 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 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 Sun, Tao Zhou, Ming Du och 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 amerikanska forskningscentra för nanoteknik vid energidepartementet, är den främsta nationella användarinstitutionen för tvärvetenskaplig forskning i nanoskala som stöds av det amerikanska energidepartementets vetenskapskontor. Tillsammans bildar NSRC:er en svit av kompletterande faciliteter som ger forskare toppmoderna möjligheter att tillverka, bearbeta, karakterisera och modellera material i nanoskala och representerar den största infrastrukturinvesteringen under National Nanotechnology Initiative. NSRC är beläget 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​-​Fa​c​ilit​​​​ie​s​/​Us ​er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​​​​.
Det amerikanska energidepartementets avancerade fotonkälla (APS) vid Argonne National Laboratory är en av de mest produktiva röntgenkällorna i världen. APS tillhandahåller högintensiva röntgenstrålar till ett mångsidigt forskarsamhälle inom materialvetenskap, kemi, kondenserad materiens fysik, livs- och miljövetenskaper 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 bränsleinjektormunstycken, som är avgörande för vår nationella ekonomi, teknologi . och kropp Grunden för hälsa. 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 innovativ teknik som är grunden för att förbättra prestanda hos acceleratorer och ljuskällor. Detta inkluderar inmatningsenheter som producerar extremt ljusstarka röntgenstrålar uppskattade av forskare, linser som fokuserar röntgenstrålar ner till några få nanometer, 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 US 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 akuta problemen inom inhemsk vetenskap och teknologi. Som det första nationella laboratoriet i USA bedriver Argonne banbrytande grundläggande och tillämpad forskning inom praktiskt taget alla vetenskapliga discipliner. 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 har anställda från över 60 länder och drivs av UChicago Argonne, LLC vid US Department of Energy's Office of Science.
Vetenskapskontoret vid US Department of Energy är landets största förespråkare för grundforskning inom fysikaliska vetenskaper, och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna frågor. För mer information, besök https://​energy​.gov/​science​ience.