Fuerscher vum Argonne National Laboratory vum US Department of Energy (DOE) hunn eng laang Geschicht vu Pionéiererfindungen am Beräich vun de Lithium-Ionen-Batterien. Vill vun dëse Resultater si fir d'Batteriekathod, genannt NMC, Nickelmangan a Kobaltoxid. Eng Batterie mat dëser Kathod dréit elo de Chevrolet Bolt un.
Fuerscher aus Argonne hunn en aneren Duerchbroch bei NMC-Kathoden erreecht. Déi nei Struktur vun de klenge Kathodepartikelen vum Team kéint d'Batterie méi haltbar a méi sécher maachen, fäeg sinn, bei ganz héije Spannungen ze funktionéieren a méi laang Reechwäit ze bidden.
„Mir hunn elo Richtlinnen, déi Batteriehersteller benotze kënnen, fir Kathodematerialien ouni Grenzen ënner héijem Drock ze maachen“, sot de Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Existéierend NMC-Kathoden stellen eng grouss Hürde fir Héichspannungsaarbecht duer“, sot den Assistent-Chemiker Guiliang Xu. Beim Ladungs- an Entladungszyklus fällt d'Leeschtung séier wéinst der Bildung vu Rëss an de Kathodepartikelen. Zënter Joerzéngte sichen Batteriefuerscher no Méiglechkeeten, dës Rëss ze reparéieren.
Eng Method huet fréier kleng kugelfërmeg Partikelen benotzt, déi aus ville vill méi klenge Partikelen zesummegesat waren. Grouss kugelfërmeg Partikelen si polykristallin, mat kristalline Beräicher vu verschiddenen Orientéierungen. Dofir hunn si dat, wat d'Wëssenschaftler Kärengrenzen tëscht de Partikelen nennen, wat dozou féiere kann, datt d'Batterie während engem Zyklus rësst. Fir dëst ze verhënneren, haten d'Kollegen vum Xu an dem Argonne virdru eng schützend Polymerbeschichtung ronderëm all Partikel entwéckelt. Dës Beschichtung ëmgëtt grouss kugelfërmeg Partikelen a méi kleng Partikelen dran.
Eng aner Méiglechkeet fir dës Zort vu Rëssbildung ze vermeiden ass d'Benotzung vun Eenkristallpartikelen. D'Elektronemikroskopie vun dëse Partikelen huet gewisen, datt si keng Grenzen hunn.
De Problem fir d'Team war, datt Kathoden aus beschichtete Polykristaller an Eenzelkristaller beim Zyklus ëmmer nach gebrach sinn. Dofir hunn si extensiv Analysen vun dëse Kathodematerialien an der Advanced Photon Source (APS) an dem Center for Nanomaterials (CNM) am Argonne Science Center vum US-Energieministère duerchgefouert.
Verschidde Röntgenanalysen goufen op fënnef APS-Äerm (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C an 34-ID-E) duerchgefouert. Et stellt sech eraus, datt dat, wat d'Wëssenschaftler fir en Eenzelkristall gehalen hunn, wéi duerch Elektronen- a Röntgenmikroskopie gewisen, tatsächlech eng Grenz dobannen hat. Raster- an Transmissiounselektronemikroskopie vun CNMs huet dës Conclusioun bestätegt.
„Wéi mir eis d'Uewerflächenmorphologie vun dëse Partikelen ugekuckt hunn, hunn si ausgesinn wéi Eenzelkristaller“, sot de 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 皅 旊微镜 皜 旊我们 发现 边界 隐藏 在。”„Wéi mir awer eng Technik mam Numm Synchrotron-Röntgendiffraktiounsmikroskopie an aner Techniken op der APS benotzt hunn, hu mir festgestallt, datt d'Grenze bannen verstoppt waren.“
Wichteg ass, datt d'Team eng Method entwéckelt huet fir Eenzelkristaller ouni Grenzen ze produzéieren. Tester vu klenge Zellen mat dëser Eenzelkristallkathode bei ganz héije Spannungen hunn eng Erhéijung vun der Energiespeicherung ëm 25% pro Volumeneenheet gewisen, ouni praktesch kee Leeschtungsverloscht iwwer 100 Testzyklen. Am Géigesaz dozou hunn NMC-Kathoden, déi aus Multi-Grenzflächen-Eenzelkristaller oder beschichtete Polykristaller zesummegesat sinn, e Kapazitéitsréckgang vu 60% bis 88% iwwer déiselwecht Liewensdauer gewisen.
Atomaresch Berechnungen weisen de Mechanismus vun der Reduktioun vun der Kathodekapazitanz op. Laut der Maria Chang, enger Nanowëssenschaftlerin um CNM, verléieren Grenzen méi wahrscheinlech Sauerstoffatome wann d'Batterie gelueden ass wéi Beräicher déi méi wäit vun hinnen ewech sinn. Dëse Sauerstoffverloscht féiert zu enger Degradatioun vum Zellzyklus.
„Eis Berechnungen weisen, wéi d'Grenz dozou féiere kann, datt Sauerstoff bei héijem Drock fräigesat gëtt, wat zu enger reduzéierter Leeschtung féiere kann“, sot de Chan.
D'Eliminatioun vun der Grenz verhënnert d'Sauerstoffentwécklung, wouduerch d'Sécherheet an d'zyklisch Stabilitéit vun der Kathod verbessert ginn. Miessunge vun der Sauerstoffentwécklung mat APS an enger fortgeschrattener Liichtquell am Lawrence Berkeley National Laboratory vum US-Energieministère bestätegen dës Conclusioun.
„Elo hu mir Richtlinnen, déi Batteriehersteller benotze kënnen, fir Kathodematerialien ze maachen, déi keng Grenzen hunn a mat héijem Drock funktionéieren“, sot de 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。”„D'Richtlinne sollten och fir aner Kathodematerialien ewéi NMC gëllen.“
En Artikel iwwer dës Etude erschéngt am Journal Nature Energy. Zousätzlech zu Xu, Amin, Liu a Chang, sinn d'Argonne 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 Ming Sun, Chen Duen Zhou an Zong. Wëssenschaftler vum Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li, an Zengqing Zhuo), Xiamen Universitéit (Jing-Jing Fan, Ling Huang a Shi-Gang Sun) an Tsinghua Universitéit (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
Iwwer den Argonne Center for Nanomaterials Den Center for Nanomaterials, ee vu fënnef Nanotechnologie-Fuerschungszentren vum US Department of Energy, ass déi féierend national Benotzerinstitutioun fir interdisziplinär Nanoskala-Fuerschung, déi vum Office of Science vum US Department of Energy ënnerstëtzt gëtt. Zesummen bilden d'NSRCen eng Suite vu komplementäre Ariichtungen, déi de Fuerscher modern Fäegkeeten fir d'Fabrikatioun, d'Veraarbechtung, d'Charakteriséierung an d'Modelléierung vu Materialien am Nanoskala ubidden a stellen déi gréisst Infrastrukturinvestitioun am Kader vun der National Nanotechnology Initiative duer. Den NSRC ass an den National Laboratories vum US Department of Energy zu Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia a Los Alamos ënnerbruecht. Fir méi Informatiounen iwwer den NSRC DOE, besicht https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ User-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
D'Advanced Photon Source (APS) vum US Department of Energy am Argonne National Laboratory ass eng vun de produktivsten Röntgenquellen op der Welt. APS stellt héichintensiv Röntgenstralen enger diverser Fuerschungsgemeinschaft an de Materialwëssenschaften, der Chimie, der Physik vun der kondenséierter Matière, de Liewens- a Ëmweltwëssenschaften, an der ugewandter Fuerschung zur Verfügung. Dës Röntgenstrale si perfekt fir Materialien a biologesch Strukturen, d'Verdeelung vun Elementer, chemeschen, magneteschen an elektroneschen Zoustänn, an technesch wichteg Ingenieurssystemer vun allen Zorten ze studéieren, vu Batterien bis zu Brennstoffinjektordüsen, déi fir eis national Wirtschaft, Technologie a Kierper entscheedend sinn. D'Basis vun der Gesondheet. All Joer benotze méi wéi 5.000 Fuerscher APS fir méi wéi 2.000 Publikatiounen ze publizéieren, déi wichteg Entdeckungen detailléiert beschreiwen a méi wichteg biologesch Proteinstrukturen léisen wéi Benotzer vun all anerem Röntgenfuerschungszentrum. APS-Wëssenschaftler an Ingenieuren implementéieren innovativ Technologien, déi d'Basis fir d'Verbesserung vun der Leeschtung vu Beschleuniger a Liichtquellen sinn. Dëst beinhalt Inputgeräter, déi extrem hell Röntgenstrahlen produzéieren, déi vu Fuerscher geschätzt ginn, Lënsen, déi Röntgenstrahlen op e puer Nanometer fokusséieren, Instrumenter, déi d'Interaktioun vun Röntgenstrahlen mat der ënnersichter Prouf maximéieren, an d'Sammlung a Gestioun vun APS-Entdeckungen. D'Fuerschung generéiert enorm Datenmengen.
Dës Studie huet Ressourcen vun Advanced Photon Source benotzt, engem User Center vum US Department of Energy Office of Science, dee vum Argonne National Laboratory fir den US Department of Energy Office of Science ënner der Kontraktnummer DE-AC02-06CH11357 bedriwwe gëtt.
Den Argonne National Laboratory beméit sech, déi dréngend Problemer vun der nationaler Wëssenschaft an Technologie ze léisen. Als éischten nationale Laboratoire an den USA féiert Argonne modern Basis- a praktesch ugewandt Fuerschung an all wëssenschaftlecher Disziplin duerch. D'Fuerscher vun Argonne schaffen enk mat Fuerscher aus Honnerte vu Firmen, Universitéiten a federalen, staatlechen a kommunalen Agenturen zesummen, fir hinnen ze hëllefen, spezifesch Problemer ze léisen, d'wëssenschaftlech Féierung vun den USA ze fërderen an d'Natioun op eng besser Zukunft virzebereeden. Argonne beschäftegt Mataarbechter aus iwwer 60 Länner a gëtt vun der UChicago Argonne, LLC vum Office of Science vum US Department of Energy bedriwwen.
Den Office of Science vum US Department of Energy ass de gréisste Verfechter vun der Grondlagfuerschung an de Physikalesche Wëssenschaften an der Natioun a schafft fir e puer vun den dréngendsten Themen vun eiser Zäit unzegoen. Fir méi Informatiounen, besicht https://energy.gov/scienceience.