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-марганец-кобальтовый оксид). Батарея с таким катодом теперь используется в автомобиле Chevrolet Bolt.
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории добились очередного прорыва в разработке катодов из нанокомпозита марганца (NMC). Новая структура катодных частиц, созданная командой, может сделать батарею более долговечной и безопасной, способной работать при очень высоких напряжениях и обеспечивать больший запас хода.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители батарей могут использовать для создания катодных материалов, работающих под высоким давлением и не имеющих границ», — заявил Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории.
«Существующие катоды из NMC представляют собой серьезное препятствие для работы при высоком напряжении», — сказал ассистент химика Гуйлян Сюй. При циклических зарядах-разрядах производительность быстро снижается из-за образования трещин в частицах катода. На протяжении десятилетий исследователи батарей искали способы устранения этих трещин.
Ранее один из методов использовал крошечные сферические частицы, состоящие из множества гораздо меньших частиц. Крупные сферические частицы являются поликристаллическими, с кристаллическими доменами различной ориентации. В результате у них образуются так называемые границы зерен между частицами, что может привести к растрескиванию батареи во время цикла работы. Чтобы предотвратить это, Сюй и его коллеги из Аргоннской национальной лаборатории ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает как крупные сферические частицы, так и более мелкие частицы внутри них.
Другой способ избежать подобного растрескивания — использовать монокристаллические частицы. Электронная микроскопия этих частиц показала, что они не имеют границ.
Проблема для команды заключалась в том, что катоды, изготовленные из покрытых поликристаллов и монокристаллов, все еще трескались во время циклической работы. Поэтому они провели всесторонний анализ этих катодных материалов в Центре передовых фотонных исследований (APS) и Центре наноматериалов (CNM) Аргоннской научной лаборатории Министерства энергетики США.
Были проведены различные рентгеновские анализы пяти плеч APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказалось, что то, что ученые считали монокристаллом, как показали электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имело внутреннюю границу. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия CNM подтвердили этот вывод.
«Когда мы изучили морфологию поверхности этих частиц, они показались нам похожими на 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 синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопии и другие методы в APS, мы обнаружили, что границы скрыты внутри».
Важно отметить, что команда разработала метод получения монокристаллов без границ. Тестирование небольших элементов с таким монокристаллическим катодом при очень высоких напряжениях показало увеличение накопления энергии на единицу объема на 25% практически без потери производительности в течение 100 циклов тестирования. В отличие от этого, катоды NMC, состоящие из многослойных монокристаллов или покрытых поликристаллов, показали снижение емкости на 60–88% за тот же срок службы.
Расчеты на атомном уровне раскрывают механизм снижения емкости катода. По словам Марии Чанг, специалиста по нанотехнологиям из CNM, границы раздела фаз с большей вероятностью теряют атомы кислорода при зарядке батареи, чем области, расположенные дальше от них. Эта потеря кислорода приводит к деградации цикла работы элемента.
«Наши расчеты показывают, как граничное условие может привести к выделению кислорода под высоким давлением, что, в свою очередь, может снизить производительность», — сказал Чан.
Устранение границы раздела предотвращает выделение кислорода, тем самым повышая безопасность и циклическую стабильность катода. Измерения выделения кислорода с помощью APS и усовершенствованного источника света в Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли Министерства энергетики США подтверждают этот вывод.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители батарей могут использовать для создания катодных материалов, не имеющих ограничений и работающих при высоком давлении», — сказал Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. 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. 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).
О Центре наноматериалов Аргоннской национальной лаборатории. Центр наноматериалов, один из пяти научно-исследовательских центров нанотехнологий Министерства энергетики США, является ведущим национальным учреждением-пользователем для междисциплинарных исследований в области нанотехнологий, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе эти центры образуют комплекс взаимодополняющих объектов, предоставляющих исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, характеризации и моделирования наноматериалов и представляют собой крупнейшие инвестиции в инфраструктуру в рамках Национальной инициативы в области нанотехнологий. Центр наноматериалов расположен в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе-Беркли, Ок-Ридже, Сандии и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о программе NSRC Министерства энергетики США посетите https://science.osti.gov/User-Facilit/User-Facilit-at-aGlance.
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных источников рентгеновского излучения в мире. APS обеспечивает высокоинтенсивным рентгеновским излучением разнообразное исследовательское сообщество в области материаловедения, химии, физики конденсированных сред, 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 батарей до форсунок топливных инжекторов, которые жизненно важны для нашей национальной экономики, технологий и основы здоровья. Ежегодно более 5000 исследователей используют APS для публикации более 2000 работ, подробно описывающих важные открытия и решающих больше задач по изучению биологических белковых структур, чем пользователи любого другого центра рентгеновских исследований. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, которые лежат в основе повышения производительности ускорителей и источников света. Это включает в себя устройства ввода, генерирующие чрезвычайно яркие рентгеновские лучи, высоко ценимые исследователями, линзы, фокусирующие рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые оптимизируют взаимодействие рентгеновских лучей с исследуемым образцом, а также сбор и обработку данных, полученных в ходе исследований с использованием фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС). Исследования генерируют огромные объемы данных.
В данном исследовании использовались ресурсы Центра передовых фотонных исследований (Advanced Photon Source), пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, которым управляет Аргоннская национальная лаборатория для Управления науки Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-06CH11357.
Аргоннская национальная лаборатория стремится решать насущные проблемы отечественной науки и техники. Будучи первой национальной лабораторией в Соединенных Штатах, Аргонн 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, государственных 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, и она управляется компанией UChicago Argonne, LLC, входящей в состав Управления науки Министерства энергетики США.
Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим в стране спонсором фундаментальных исследований в области физических наук, работая над решением наиболее актуальных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/scienceience.