Исследователи Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) имеют долгую историю новаторских открытий в области литий-ионных аккумуляторов. Многие из этих результатов относятся к катоду аккумулятора, называемому NMC, состоящему из никеля, марганца и оксида кобальта. Аккумулятор с таким катодом теперь используется в Chevrolet Bolt.
Исследователи из Аргонна совершили очередной прорыв в разработке катодов из NMC. Новая структура катодных частиц, разработанная командой, может сделать аккумулятор более долговечным и безопасным, способным работать при очень высоких напряжениях и обеспечивать больший запас хода.
«Теперь у нас есть руководство, которое производители аккумуляторов могут использовать для создания катодных материалов высокого давления без границ», — Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргоннского университета.
«Существующие катоды NMC представляют собой серьёзное препятствие для высоковольтных работ», — сказал помощник химика Гуйлян Сюй. При циклическом заряде-разряде производительность быстро падает из-за образования трещин в частицах катода. Десятилетиями исследователи аккумуляторов искали способы устранения этих трещин.
В одном из методов, применявшихся ранее, использовались мельчайшие сферические частицы, состоящие из множества гораздо более мелких частиц. Крупные сферические частицы являются поликристаллическими, с кристаллическими доменами различной ориентации. В результате между частицами образуются так называемые межзеренные границы, которые могут привести к растрескиванию аккумулятора во время цикла. Чтобы предотвратить это, коллеги Сюй и Аргонна ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает крупные сферические частицы и более мелкие частицы внутри них.
Другой способ избежать подобного растрескивания — использование монокристаллических частиц. Электронная микроскопия этих частиц показала, что они не имеют границ.
Проблема для команды заключалась в том, что катоды, изготовленные из покрытых поликристаллов и монокристаллов, всё ещё трескались во время циклирования. Поэтому они провели обширный анализ этих катодных материалов в Центре передовых фотонных источников (APS) и Центре наноматериалов (CNM) Аргоннского научного центра Министерства энергетики США.
Были проведены различные рентгеновские анализы пяти ветвей APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказалось, что то, что учёные считали монокристаллом, как показали электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имело внутреннюю границу. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия CNM подтвердила этот вывод.
«Когда мы рассмотрели 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 发现 边界 隐藏 在。»«Однако, когда мы использовали метод, называемый синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопией, и другие методы в APS, мы обнаружили, что границы были скрыты внутри».
Важно отметить, что группа разработала метод получения монокристаллов без границ. Испытания малых ячеек с этим монокристаллическим катодом при очень высоких напряжениях показали увеличение запаса энергии на единицу объёма на 25% без потери производительности в течение 100 циклов испытаний. В отличие от этого, катоды NMC, состоящие из монокристаллов с несколькими границами раздела или поликристаллов с покрытием, показали падение ёмкости на 60–88% за тот же срок службы.
Расчёты в атомном масштабе раскрывают механизм снижения ёмкости катода. По словам Марии Чанг, наноученого из CNM, границы с большей вероятностью теряют атомы кислорода при зарядке аккумулятора, чем более удалённые от них области. 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 современного источника света в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США подтверждают этот вывод.
«Теперь у нас есть руководящие принципы, которые производители аккумуляторов могут использовать для создания катодных материалов, не имеющих границ и работающих при высоком давлении», — сказал Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргоннского университета. 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), Сямэньского 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 Министерства энергетики США в области нанотехнологий, является ведущим национальным учреждением-пользователем для междисциплинарных исследований в области нанотехнологий, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. В совокупности NSRC образуют комплекс взаимодополняющих объектов, предоставляющих исследователям самые современные возможности для производства, обработки, характеристики и моделирования наноматериалов и представляющих собой крупнейшую инвестицию в инфраструктуру в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC располагается в Национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренс-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​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных источников рентгеновского излучения в мире. APS обеспечивает высокоинтенсивное рентгеновское излучение для разнообразного исследовательского сообщества 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 сопел топливных форсунок, которые жизненно важны для нашей национальной экономики, технологий. и тела Основа здоровья. Каждый год более 5000 исследователей используют APS для публикации более 2000 публикаций, подробно описывающих важные открытия и решающих больше важных биологических структур белков, чем пользователи любого другого центра рентгеновских исследований. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, которые являются основой для улучшения характеристик ускорителей и источников света. Сюда входят устройства ввода, которые создают чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, ценимые исследователями, линзы, которые фокусируют рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые максимизируют способ взаимодействия рентгеновских лучей с изучаемым образцом, а также сбор и управление открытиями APS. Исследования генерируют огромные объемы данных.
В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, Центра пользователей Управления науки Министерства энергетики США, управляемого Аргоннской национальной лабораторией для Управления науки Министерства энергетики США по контракту номер DE-AC02-06CH11357.
Аргоннская национальная лаборатория стремится решать насущные проблемы отечественной науки и технологий. Будучи первой национальной лабораторией в США, Аргоннская лаборатория проводит передовые фундаментальные и прикладные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргоннской лаборатории тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, региональных и муниципальных учреждений, помогая им решать конкретные проблемы, укреплять научное лидерство США и готовить страну к лучшему будущему. В Аргоннской лаборатории работают сотрудники из более чем 60 стран, а управление ею осуществляет UChicago Argonne, LLC Управления науки Министерства энергетики США.
Управление науки Министерства энергетики США — крупнейший в стране сторонник фундаментальных исследований в области физических наук, работающий над решением некоторых из самых острых проблем нашего времени. Подробнее см. на сайте https://energy.gov/scienceience.