Исследователи из национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) имеют долгую историю новаторских открытий в области литий-ионных батарей. Многие из этих результатов предназначены для катода батареи, называемого NMC, никелевого марганца и оксида кобальта. Аккумулятор с этим катодом теперь питает болт Chevrolet.
Исследователи Аргона достигли еще одного прорыва в катодах NMC. Новая крошечная структура частиц катодных частиц команды может сделать батарею более прочной и безопасной, способной работать при очень высоких напряжениях и обеспечить более длительные диапазоны путешествий.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители батареи могут использовать для создания катодных материалов без границ»,-Халил Амин, заслуженный сотрудник Аргона.
«Существующие катоды NMC представляют собой большое препятствие для работы с высоким напряжением», - сказал помощник химика Гийян Сюй. При циклическом цикле заряда производительность быстро падает из-за образования трещин в катодных частицах. В течение десятилетий исследователи батареи искали способы ремонта этих трещин.
В одном методе в прошлом использовался крошечные сферические частицы, состоящие из многих гораздо более мелких частиц. Большие сферические частицы поликристаллические, с кристаллическими доменами различных ориентаций. В результате у них есть то, что ученые называют границами зерна между частицами, что может привести к взлому батареи во время цикла. Чтобы предотвратить это, коллеги Сюй и Аргона ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает большие сферические частицы и меньшие частицы внутри них.
Другим способом избежать такого вида растрескивания является использование монокристаллических частиц. Электронная микроскопия этих частиц показала, что у них нет границ.
Проблема для команды заключалась в том, что катоды, изготовленные из поликристаллов с покрытием и монокристаллов, все еще взломанные во время езды на велосипеде. Таким образом, они провели обширный анализ этих катодных материалов в усовершенствованном фотонном источнике (APS) и Центре наноматериалов (CNM) в научном центре Министерства энергетики США.
Различные рентгеновские анализы были выполнены на пять рук APS (11-летняя, 20-летняя, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказывается, что ученые думали, что монокристалл, о чем свидетельствует электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имела границу внутри. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия CNM подтвердила этот вывод.
«Когда мы посмотрели на морфологию поверхности этих частиц, они выглядели как монокристаллы», - сказал физик Венджун Лю. â <但是 当我们在 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 加速器 加速器 x 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。 »«Однако, когда мы использовали методику, называемую синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопией и другие методы в AP, мы обнаружили, что границы были скрыты внутри».
Важно отметить, что команда разработала метод производства монокристаллов без границ. Тестирование мелких ячеек с этим однокристаллическим катодом при очень высоких напряжениях показало увеличение хранения энергии на 25% на единицу объема с практически отсутствием потери производительности в рамках 100 тестов. Напротив, катоды NMC, состоящие из мульти-интерфейсных монокристаллов или поликристаллов с покрытием, показали падение емкости на 60% до 88% в течение того же срока службы.
Расчеты атомной шкалы показывают механизм снижения катодной емкости. По словам Марии Чанг, нанобиолог в CNM, границы с большей вероятностью теряют атомы кислорода, когда батарея заряжается, чем участки дальше от них. Эта потеря кислорода приводит к деградации клеточного цикла.
«Наши расчеты показывают, как граница может привести к тому, что кислород выпускается при высоком давлении, что может привести к снижению производительности», - сказал Чан.
Устранение границы предотвращает эволюцию кислорода, тем самым повышая безопасность и циклическую стабильность катода. Измерения эволюции кислорода с APS и расширенным источником света в Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Министерстве энергетики подтверждают этот вывод.
«Теперь у нас есть руководящие принципы, которые производители батареи могут использовать для изготовления катодных материалов, которые не имеют границ и работают с высоким давлением», - сказал Халил Амин, заслуженный сотрудник Аргона. 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。»«Рекомендации должны применяться к катодным материалам, отличным от NMC».
Статья об этом исследовании появилась в журнале Nature Energy. В дополнение к Сюй, Амин, Лю и Чанг, авторы Аргона - Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чен Чжао, Синвей Чжоу, Юзи Лю, Лиан Йин, Амин Даали, Ян Рен, Венцян Сюй, Джунджинг Денг, Инхю Хвен, Ченг -Сун, Тон Чен, Хендж -Зун, Тон -Ду, Джунг Денг, в Зонхай Чен. Ученые из национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Ванли Ян, Цинтиан Ли и Зенгцинг Чжуо), Университет Сюйамэнь (Цзин-Цинг Фан, Лин Хуанг и Ши-Ганг Солн) и Университет Цинхуа (Доншенг Рен, Стоксинг Фенг и Мингао Оуян).
О Центре наноматериалов Аргона Центр наноматериалов, одного из пяти исследований Министерства энергетических нанотехнологий США, является главным национальным пользовательским институтом междисциплинарных исследований наноразмерных наноразмерных исследований, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC образуют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, характеристики и моделирования наноразмерных материалов и представляют самые большие инвестиции в инфраструктуру в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC расположен в Национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргоронне, Брукхейвен, Лоуренсе Беркли, Оук -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 er-f A C I L IT IE IE S-At-A Glance.
Передовый фотонный источник Министерства энергетики США (APS) в Национальной лаборатории Аргоронн является одним из самых продуктивных рентгеновских источников в мире. APS предоставляет высокоинтенсивные рентгеновские снимки разнообразному исследовательскому сообществу в области материаловедения, химии, физики конденсированного вещества, жизни и экологических наук, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские снимки идеально подходят для изучения материалов и биологических структур, распределения элементов, химических, магнитных и электронных состояний, а также технически важных инженерных систем всех видов, от батарей до форсунок топливного форсунка, которые жизненно важны для нашей национальной экономики, технологии. и тело на основе здоровья. Каждый год более 5000 исследователей используют APS для публикации более 2000 публикаций, в которых подробно описываются важные открытия и решающие более важные биологические белковые структуры, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновских лучей. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, которые являются основой для повышения производительности ускорителей и источников света. Это включает в себя входные устройства, которые производят чрезвычайно яркие рентгеновские снимки, которые ценят исследователи, линзы, которые фокусируют рентгеновские снимки до нескольких нанометров, инструменты, которые максимизируют способ взаимодействия рентгеновских лучей с исследуемой выборкой, а также сборы и управление исследованиями APS Discoveries, генерируют огромные объемы данных.
В этом исследовании использовались ресурсы от Advanced Photon Source, Министерства энергетического центра США, управляемого Аргоронной Национальной лабораторией Министерства энергетической министерства США по номеру контракта DE-AC02-06CH11357.
Национальная лаборатория аргонов стремится решить насущные проблемы домашней науки и техники. Будучи первой национальной лабораторией в Соединенных Штатах, Аргоронна проводит передовые базовые и прикладные исследования практически в каждой научной дисциплине. Исследователи Аргона тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных агентств, чтобы помочь им решить конкретные проблемы, продвигать научное лидерство США и подготовить нацию к лучшему будущему. В Аргонне работают сотрудники из более чем 60 стран и управляется Uchicago Argonne, LLC Министерства энергетики Министерства энергетики.
Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником основных исследований в области физических наук, работая над решением некоторых из самых насущных вопросов нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https: // energy .gov/science ience.