Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) имеют долгую историю новаторских открытий в области литий-ионных батарей. Многие из этих результатов касаются катода батареи, называемого NMC, никель-марганца и оксида кобальта. Аккумулятор с таким катодом теперь питает Chevrolet Bolt.
Исследователи из Аргонна совершили еще один прорыв в области NMC-катодов. Новая структура крошечных катодных частиц, разработанная командой, может сделать батарею более долговечной и безопасной, способной работать при очень высоких напряжениях и обеспечивать большую дальность хода.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители аккумуляторов могут использовать для изготовления катодных материалов без границ под высоким давлением», — Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргонны.
«Существующие катоды NMC представляют собой серьезное препятствие для работы под высоким напряжением», — сказал помощник химика Гуйлян Сюй. При циклическом заряд-разряде производительность быстро падает из-за образования трещин в частицах катода. На протяжении десятилетий исследователи аккумуляторов искали способы устранения этих трещин.
В одном из методов прошлого использовались крошечные сферические частицы, состоящие из множества частиц гораздо меньшего размера. Крупные сферические частицы являются поликристаллическими, с кристаллическими доменами различной ориентации. В результате между частицами возникают то, что ученые называют границами зерен, что может привести к растрескиванию аккумулятора во время цикла. Чтобы предотвратить это, Сюй и коллеги Аргонна ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает крупные сферические частицы и более мелкие частицы внутри них.
Другой способ избежать такого рода растрескивания — использовать монокристаллические частицы. Электронная микроскопия этих частиц показала, что они не имеют границ.
Проблема для команды заключалась в том, что катоды, изготовленные из поликристаллов и монокристаллов с покрытием, все еще трескались во время циклирования. Поэтому они провели обширный анализ этих катодных материалов в Усовершенствованном источнике фотонов (APS) и Центре наноматериалов (CNM) в Аргоннском научном центре Министерства энергетики США.
Различные рентгеновские анализы были выполнены на пяти плечах APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказывается, то, что ученые считали монокристаллом, как показали электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имело внутри границу. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия УНМ подтвердили этот вывод.
«Когда мы посмотрели на морфологию поверхности этих частиц, они выглядели как монокристаллы», — сказал физик Вэньцзюнь Лю. 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 发现 边界 隐藏 在。»«Однако, когда мы использовали в APS метод синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопии и другие методы, мы обнаружили, что границы скрыты внутри».
Важно отметить, что команда разработала метод производства монокристаллов без границ. Испытание небольших ячеек с этим монокристаллическим катодом при очень высоких напряжениях показало увеличение запаса энергии на единицу объема на 25% практически без потери производительности в течение 100 испытательных циклов. Напротив, катоды NMC, состоящие из монокристаллов с несколькими интерфейсами или поликристаллов с покрытием, показали падение емкости от 60% до 88% за тот же срок службы.
Расчеты на атомном масштабе раскрывают механизм уменьшения емкости катода. По словам Марии Чанг, наноученого из CNM, границы с большей вероятностью теряют атомы кислорода при зарядке батареи, чем области, расположенные дальше от них. Эта потеря кислорода приводит к деградации клеточного цикла.
«Наши расчеты показывают, как граница может привести к выделению кислорода под высоким давлением, что может привести к снижению производительности», — сказал Чан.
Устранение границы предотвращает выделение кислорода, тем самым повышая безопасность и циклическую стабильность катода. Измерения выделения кислорода с помощью APS и усовершенствованного источника света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США подтверждают этот вывод.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители аккумуляторов могут использовать для изготовления катодных материалов, которые не имеют границ и работают при высоком давлении», — сказал Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргонна. 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。”«Руководящие принципы должны применяться к катодным материалам, отличным от NMC».
Статья об этом исследовании появилась в журнале Nature Energy. Помимо Сюя, Амина, Лю и Чанга, авторами Аргонны являются Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чэнь Чжао, Синьвэй Чжоу, Юзи Лю, Лян Ин, Амин Даали, Ян Жэнь, Вэньцянь Сюй, Цзюньцзин Дэн, Инхуэй Хван, Чэнцзюнь Сунь, Тао Чжоу, Мин Ду и Цзунхай Чен. Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Ваньли Ян, Цинтянь Ли и Цзэнцин Чжо), Сямыньского университета (Цзин-Цзин Фань, Лин Хуан и Ши-Ган Сунь) и Университета Цинхуа (Дуншэн Жэнь, Сюнин Фэн и Мингао Оуян).
Об Аргоннском центре наноматериалов Центр наноматериалов, один из пяти исследовательских центров нанотехнологий Министерства энергетики США, является ведущим национальным учреждением-пользователем междисциплинарных наномасштабных исследований, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC образуют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшую инвестицию в инфраструктуру в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC расположен в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе-Беркли, Ок-Ридже, Сандии и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE посетите https://​science​.osti​.gov/Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us. Э-э-а, это, то есть, с первого взгляда.
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных источников рентгеновского излучения в мире. APS предоставляет рентгеновские лучи высокой интенсивности широкому исследовательскому сообществу в области материаловедения, химии, физики конденсированного состояния, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для изучения материалов и биологических структур, распределения элементов, химических, магнитных и электронных состояний, а также технически важных инженерных систем всех видов, от аккумуляторов до топливных форсунок, которые жизненно важны для нашей национальной экономики, технологий. . и тело Основа здоровья. Ежегодно более 5000 исследователей используют APS для публикации более 2000 публикаций, подробно описывающих важные открытия и решения более важных биологических белковых структур, чем пользователи любого другого центра рентгеновских исследований. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, являющиеся основой повышения эффективности ускорителей и источников света. Сюда входят устройства ввода, которые производят чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, ценимые исследователями, линзы, фокусирующие рентгеновские лучи до нескольких нанометров, инструменты, которые максимизируют взаимодействие рентгеновских лучей с исследуемым образцом, а также сбор и управление открытиями APS. Исследования генерируют огромные объемы данных.
В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, которым управляет Аргоннская национальная лаборатория Управления науки Министерства энергетики США по номеру контракта DE-AC02-06CH11357.
Аргоннская национальная лаборатория стремится решать актуальные проблемы отечественной науки и техники. Будучи первой национальной лабораторией в США, Аргонн проводит передовые фундаментальные и прикладные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи из Аргонна тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных агентств, чтобы помочь им решить конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство США и подготовить нацию к лучшему будущему. В компании Argonne работают сотрудники из более чем 60 стран, и ею управляет компания UChicago Argonne, LLC Управления науки Министерства энергетики США.
Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим в стране сторонником фундаментальных исследований в области физических наук и работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://​energy​.gov/​science​ience.