АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) Аргонн ұлттық зертханасының зерттеушілері литий-ионды батареялар саласында ұзақ жылдар бойы алғашқы жаңалықтарды жасап келеді. Бұл нәтижелердің көпшілігі NMC, никель-марганец және кобальт оксиді деп аталатын батарея катодына арналған. Осы катодты батарея қазір Chevrolet Bolt көлігін қуаттандырады.
Argonne зерттеушілері NMC катодтарында тағы бір жетістікке жетті. Топтың жаңа кішкентай катод бөлшектерінің құрылымы батареяны берік және қауіпсіз ете алады, өте жоғары кернеуде жұмыс істей алады және ұзақ қашықтықты қамтамасыз етеді.
«Қазір бізде батарея өндірушілері жоғары қысымды, шекарасыз катодты материалдарды жасау үшін пайдалана алатын нұсқаулық бар», - деді Халил Амин, Аргоннның құрметті қызметкері.
«Қолданыстағы NMC катодтары жоғары вольтты жұмыс үшін үлкен кедергі болып табылады», - деді химик көмекшісі Гуйлян Сюй. Заряд-разряд циклімен катод бөлшектерінде жарықтардың пайда болуына байланысты өнімділік тез төмендейді. Ондаған жылдар бойы батарея зерттеушілері бұл жарықтарды жөндеу жолдарын іздеп келеді.
Бұрынғы бір әдіс көптеген әлдеқайда кіші бөлшектерден тұратын ұсақ сфералық бөлшектерді қолданған. Ірі сфералық бөлшектер поликристалды болып табылады, олардың әртүрлі бағыттағы кристалдық домендері бар. Нәтижесінде, ғалымдар бөлшектер арасында түйіршікті шекаралар деп атайтын нәрсе бар, бұл цикл кезінде батареяның жарылуына әкелуі мүмкін. Мұның алдын алу үшін Сюй мен Аргонның әріптестері бұрын әрбір бөлшектің айналасында қорғаныс полимерлі жабын жасап шығарған болатын. Бұл жабын үлкен сфералық бөлшектерді және олардың ішіндегі ұсақ бөлшектерді қоршап тұрады.
Мұндай жарықшақтанудың алдын алудың тағы бір жолы - монокристалды бөлшектерді пайдалану. Бұл бөлшектердің электронды микроскопиясы олардың шекаралары жоқ екенін көрсетті.
Топ үшін мәселе қапталған поликристалдар мен монокристалдардан жасалған катодтардың цикл кезінде әлі де жарылуы болды. Сондықтан олар АҚШ Энергетика министрлігінің Аргонн ғылыми орталығындағы Advanced Photon Source (APS) және Наноматериалдар орталығында (CNM) осы катод материалдарына кең ауқымды талдау жүргізді.
Бес APS иінінде (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C және 34-ID-E) әртүрлі рентгендік талдаулар жүргізілді. Электрондық және рентгендік микроскопия көрсеткендей, ғалымдар монокристалл деп ойлаған нәрсенің ішінде шекарасы болғаны белгілі болды. CNM-дерді сканерлеу және беру электронды микроскопиясы бұл қорытындыны растады.
«Біз бұл бөлшектердің беткі морфологиясын қараған кезде, олар монокристалдарға ұқсайтынын байқадық», - деді 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 暄 滌 匶我们 发现 边界 隐藏 在。”«Дегенмен, біз синхротронды рентгендік дифракциялық микроскопия деп аталатын әдісті және APS-те басқа әдістерді қолданған кезде, шекаралардың ішінде жасырынғанын анықтадық».
Маңыздысы, команда шекарасыз монокристаллдарды алу әдісін әзірледі. Кішкентай элементтерді осы монокристалл катодымен өте жоғары кернеулерде сынау 100 сынақ циклі ішінде өнімділіктің іс жүзінде жоғалмастан, бірлік көлемге шаққандағы энергия сақтаудың 25%-ға артуын көрсетті. Керісінше, көп интерфейсті монокристаллдардан немесе қапталған поликристаллдардан тұратын NMC катодтары сол қызмет ету мерзімі ішінде сыйымдылықтың 60%-дан 88%-ға дейін төмендегенін көрсетті.
Атомдық масштабты есептеулер катод сыйымдылығының төмендеу механизмін көрсетеді. CNM наноғалымы Мария Чангтың айтуынша, батарея зарядталған кезде шекаралардың оттегі атомдарын жоғалту ықтималдығы олардан алыс аймақтарға қарағанда жоғары. Оттегінің жоғалуы жасуша циклінің бұзылуына әкеледі.
«Біздің есептеулеріміз шекараның жоғары қысымда оттегінің бөлінуіне қалай әкелуі мүмкін екенін көрсетеді, бұл өнімділіктің төмендеуіне әкелуі мүмкін», - деді Чан.
Шекараны жою оттегінің бөлінуіне жол бермейді, осылайша катодтың қауіпсіздігі мен циклдік тұрақтылығын жақсартады. АҚШ Энергетика министрлігінің Лоуренс Беркли ұлттық зертханасында APS және озық жарық көзімен оттегінің бөлінуін өлшеу бұл қорытындыны растайды.
«Енді бізде батарея өндірушілері шекарасыз және жоғары қысымда жұмыс істейтін катодты материалдарды жасау үшін пайдалана алатын нұсқаулар бар», - деді Аргоннның құрметті мүшесі Халил Амин. 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。”«Нұсқаулық NMC-ден басқа катод материалдарына қолданылуы керек.»
Бұл зерттеу туралы мақала Nature Energy журналында пайда болды. Сюй, Амин, Лю және Чангтан басқа, Аргонна авторлары: Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чен Чжао, Синвэй Чжоу, Юзи Лю, Лян Йинг, Амин Даали, Ян Рен, Вэнцян Сю, Цзюнцзин Дэн, Инхуй Хванг, Дунжун Тау, Дунху, М. Чен. Лоуренс Беркли ұлттық зертханасының (Ванли Ян, Цинтиан Ли және Цзэнцин Чжуо), Сямэнь университетінің (Цзин-Цзин Фан, Линг Хуан және Ши-Ган Сун) және Цинхуа университетінің (Дуншен Рен, Сюнинг Фэн және Мингао Оуян) ғалымдары.
Аргон наноматериалдар орталығы туралы АҚШ Энергетика министрлігінің бес нанотехнологиялық зерттеу орталықтарының бірі болып табылатын Наноматериалдар орталығы АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасы қолдайтын пәнаралық наноөлшемді зерттеулер үшін жетекші ұлттық пайдаланушы мекемесі болып табылады. Бірге NSRC зерттеушілерге наноөлшемді материалдарды жасау, өңдеу, сипаттау және модельдеу үшін заманауи мүмкіндіктерді беретін және Ұлттық нанотехнологиялық бастама аясындағы ең ірі инфрақұрылымдық инвестицияны білдіретін бірқатар қосымша нысандарды құрайды. NSRC Аргонн, Брукхейвен, Лоуренс Беркли, Оак Ридж, Сандия және Лос-Аламос қалаларындағы АҚШ Энергетика министрлігінің Ұлттық зертханаларында орналасқан. NSRC DOE туралы қосымша ақпарат алу үшін 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 сайтына кіріңіз.
АҚШ Энергетика министрлігінің Аргонн ұлттық зертханасындағы озық фотон көзі (APS) әлемдегі ең өнімді рентген көздерінің бірі болып табылады. APS материалтану, химия, конденсацияланған заттар физикасы, тіршілік және қоршаған орта ғылымдары және қолданбалы зерттеулер саласындағы әртүрлі зерттеу қауымдастығына жоғары қарқынды рентген сәулелерін ұсынады. Бұл рентген сәулелері материалдар мен биологиялық құрылымдарды, элементтердің таралуын, химиялық, магниттік және электрондық күйлерді және ұлттық экономикамыз, технологиямыз және денеміз үшін өте маңызды болып табылатын батареялардан отын инжекторының форсункаларына дейінгі барлық түрдегі техникалық маңызды инженерлік жүйелерді зерттеу үшін өте қолайлы. Денсаулықтың негізі. Жыл сайын 5000-нан астам зерттеуші APS-ті пайдаланып, маңызды жаңалықтарды егжей-тегжейлі сипаттайтын және кез келген басқа рентгендік зерттеу орталығының пайдаланушыларына қарағанда маңызды биологиялық ақуыз құрылымдарын шешетін 2000-нан астам басылым жариялайды. APS ғалымдары мен инженерлері үдеткіштер мен жарық көздерінің өнімділігін жақсартудың негізі болып табылатын инновациялық технологияларды енгізуде. Бұған зерттеушілер бағалайтын өте жарқын рентген сәулелерін шығаратын енгізу құрылғылары, рентген сәулелерін бірнеше нанометрге дейін фокустайтын линзалар, рентген сәулелерінің зерттелетін үлгімен өзара әрекеттесу тәсілін барынша арттыратын құралдар және APS жаңалықтарын жинау және басқару кіреді. Зерттеулер үлкен көлемдегі деректер жасайды.
Бұл зерттеуде DE-AC02-06CH11357 келісімшарт нөмірі бойынша АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасына арналған Аргонн ұлттық зертханасы басқаратын, АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасының пайдаланушылар орталығы Advanced Photon Source ресурстары пайдаланылды.
Аргон ұлттық зертханасы отандық ғылым мен технологияның өзекті мәселелерін шешуге ұмтылады. Америка Құрама Штаттарындағы алғашқы ұлттық зертхана ретінде Аргон барлық ғылыми салаларда дерлік озық іргелі және қолданбалы зерттеулер жүргізеді. Аргон зерттеушілері жүздеген компаниялардың, университеттердің, федералды, штаттық және муниципалды мекемелердің зерттеушілерімен тығыз байланыста жұмыс істейді, оларға нақты мәселелерді шешуге, АҚШ ғылыми көшбасшылығын дамытуға және ұлтты жақсы болашаққа дайындауға көмектеседі. Аргон 60-тан астам елден қызметкерлерді жұмыспен қамтыды және оны АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасының UChicago Argonne, LLC басқарады.
АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасы - қазіргі заманның ең өзекті мәселелерін шешу үшін жұмыс істейтін физикалық ғылымдар саласындағы іргелі зерттеулердің елдегі ең ірі жақтаушысы. Қосымша ақпарат алу үшін https://energy.gov/science.ience сайтына кіріңіз.