АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) Аргонна ұлттық зертханасының зерттеушілері литий-иондық аккумуляторлар саласындағы жаңашыл жаңалықтардың ұзақ тарихына ие. Бұл нәтижелердің көпшілігі NMC, никель марганец және кобальт оксиді деп аталатын батареяның катодына арналған. Осы катодты батарея енді Chevrolet Bolt-ты қуаттайды.
Аргон зерттеушілері NMC катодтарында тағы бір жетістікке жетті. Команданың жаңа шағын катодты бөлшектер құрылымы аккумуляторды берік және қауіпсіз ете алады, өте жоғары кернеулерде жұмыс істей алады және ұзағырақ жүру ауқымын қамтамасыз ете алады.
«Қазір бізде аккумулятор өндірушілері жоғары қысымды, шекарасы жоқ катодты материалдарды жасау үшін пайдалана алатын нұсқаулық бар», - Халил Амин, Аргонна құрметті стипендиаты.
«Қолданыстағы NMC катодтары жоғары вольтты жұмыс үшін үлкен кедергі болып табылады», - деді химик көмекшісі Гуилян Сю. Заряд-разряд циклі кезінде катод бөлшектерінде жарықтардың пайда болуына байланысты өнімділік тез төмендейді. Ондаған жылдар бойы аккумуляторды зерттеушілер бұл жарықтарды жөндеу жолдарын іздеді.
Бұрынғы әдістердің бірі көптеген әлдеқайда ұсақ бөлшектерден тұратын кішкентай сфералық бөлшектерді қолданды. Ірі сфералық бөлшектер поликристалды, кристалдық домендері әртүрлі бағыттағы. Нәтижесінде оларда ғалымдар бөлшектер арасындағы түйір шекаралары деп атайтын нәрсе бар, бұл цикл кезінде батареяның жарылуы мүмкін. Бұған жол бермеу үшін Сюй мен Аргоннның әріптестері бұрын әрбір бөлшектің айналасында қорғаныс полимерлі жабын жасаған болатын. Бұл жабын үлкен сфералық бөлшектерді және олардың ішіндегі кішірек бөлшектерді қоршайды.
Мұндай крекингті болдырмаудың тағы бір жолы - монокристалды бөлшектерді пайдалану. Бұл бөлшектердің электронды микроскопиясы олардың шекарасы жоқ екенін көрсетті.
Команда үшін проблема қапталған поликристалдардан және монокристалдардан жасалған катодтардың велосипедпен жүру кезінде әлі де жарылғандығы болды. Сондықтан олар АҚШ Энергетика министрлігінің Аргонна ғылыми орталығындағы Advanced Photon Source (APS) және Наноматериалдар орталығында (CNM) осы катодтық материалдарға кеңінен талдау жүргізді.
Бес APS қолында (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C және 34-ID-E) әртүрлі рентгендік талдаулар жасалды. Ғалымдар электронды және рентгендік микроскопия көрсеткендей, монокристал деп ойлаған нәрсенің шын мәнінде ішінде шекарасы болғаны белгілі болды. CNM-дің сканерлеу және трансмиссиялық электронды микроскопиясы бұл тұжырымды растады.
«Біз бұл бөлшектердің беткі морфологиясын қараған кезде, олар монокристалдарға ұқсайтын», - деді физик Вэнцзюнь 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微镜的技术微镜术弗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 显微镜 暄 滌圶们 发现 边界 隐藏 在。”«Алайда, біз синхротронды рентгендік дифракциялық микроскопия деп аталатын әдісті және APS-те басқа әдістерді қолданғанда, шекаралардың ішінде жасырылғанын анықтадық».
Маңыздысы, команда монокристалдарды шекарасыз өндіру әдісін әзірледі. Бұл бір кристалды катодпен шағын ұяшықтарды өте жоғары кернеулерде сынау 100 сынақ циклінен астам өнімділікте іс жүзінде жоғалтпай, бірлік көлемдегі энергияны сақтаудың 25%-ға артқанын көрсетті. Керісінше, көп интерфейсті монокристалдардан немесе қапталған поликристалдардан тұратын NMC катодтары сол қызмет мерзімі ішінде сыйымдылықтың 60%-дан 88%-ға дейін төмендеуін көрсетті.
Атомдық масштабты есептеулер катод сыйымдылығын төмендету механизмін ашады. CNM нано-ғалымы Мария Чангтың айтуынша, шекаралар батарея зарядталған кезде оттегі атомдарын жоғалтуы мүмкін, олардан алыс жерлерге қарағанда. Бұл оттегінің жоғалуы жасушалық циклдің деградациясына әкеледі.
«Біздің есептеулеріміз шекараның жоғары қысымда оттегінің қалай шығарылуына әкелетінін көрсетеді, бұл өнімділіктің төмендеуіне әкелуі мүмкін», - деді Чан.
Шекараны жою оттегінің бөлінуін болдырмайды, осылайша катодтың қауіпсіздігі мен циклдік тұрақтылығын жақсартады. АҚШ Энергетика министрлігінің Лоуренс Беркли ұлттық зертханасындағы APS және жетілдірілген жарық көзі арқылы оттегінің бөлінуін өлшеу осы тұжырымды растайды.
«Қазір бізде аккумулятор өндірушілері шекарасы жоқ және жоғары қысымда жұмыс істейтін катодты материалдарды жасау үшін пайдалана алатын нұсқаулар бар», - деді Халил Амин, Аргонна құрметті стипендиаты. 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。”«Нұсқаулар NMC-ден басқа катодтық материалдарға 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 Хван, Ченджун Сун, Тао Чжоу, Мин Ду және Цунхай 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.
Аргонна наноматериалдар орталығы туралы АҚШ Энергетика министрлігінің бес нанотехнология зерттеу орталығының бірі Наноматериалдар орталығы АҚШ Энергетика министрлігінің ғылым басқармасы қолдайтын пәнаралық наноөлшемді зерттеулерге арналған жетекші ұлттық пайдаланушы мекеме болып табылады. NSRC бірге зерттеушілерге наноөлшемді материалдарды өндіру, өңдеу, сипаттау және модельдеу үшін заманауи мүмкіндіктерді беретін және Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы аясындағы ең үлкен инфрақұрылымдық инвестицияны ұсынатын қосымша қондырғылар жиынтығын құрайды. NSRC Аргонна, Брукхавен, Лоуренс Беркли, Оук Ридж, Сандия және Лос-Аламостағы 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 сайтына кіріңіз. Бір қарағанда.
АҚШ Энергетика министрлігінің Аргонна ұлттық зертханасындағы жетілдірілген фотон көзі (APS) әлемдегі ең өнімді рентгендік көздердің бірі болып табылады. APS материалтану, химия, конденсацияланған заттар физикасы, тіршілік және қоршаған орта туралы ғылымдар және қолданбалы зерттеулердегі әртүрлі зерттеу қауымдастығына жоғары қарқынды рентген сәулелерін береді. Бұл рентген сәулелері материалдар мен биологиялық құрылымдарды, элементтердің таралуын, химиялық, магниттік және электрондық күйлерді және біздің ұлттық экономикамызға, технологиямызға маңызды болып табылатын аккумуляторлардан бастап жанармай бүрку саптамаларына дейінгі барлық түрдегі техникалық маңызды инженерлік жүйелерді зерттеу үшін өте қолайлы. . және дене Денсаулықтың негізі. Жыл сайын 5000-нан астам зерттеуші APS көмегімен маңызды жаңалықтарды егжей-тегжейлі сипаттайтын және кез келген басқа рентгендік зерттеу орталығының пайдаланушыларына қарағанда маңыздырақ биологиялық ақуыз құрылымдарын шешетін 2000-нан астам жарияланымдарды жариялайды. APS ғалымдары мен инженерлері үдеткіштер мен жарық көздерінің жұмысын жақсартуға негіз болатын инновациялық технологияларды енгізуде. Бұған зерттеушілер бағалаған өте жарқын рентген сәулелерін шығаратын енгізу құрылғылары, рентген сәулелерін бірнеше нанометрге дейін фокустайтын линзалар, рентген сәулелерінің зерттелетін үлгімен әрекеттесу жолын барынша арттыратын құралдар және APS жаңалықтарын жинау және басқару кіреді. Зерттеу үлкен деректер көлемін жасайды.
Бұл зерттеуде DE-AC02-06CH11357 келісімшарт нөмірі бойынша АҚШ Энергетика министрлігі Ғылым басқармасының Аргонна ұлттық зертханасы басқаратын АҚШ Энергетика департаментінің Ғылымды пайдаланушы орталығы Advanced Photon Source ресурстары пайдаланылды.
Аргонна ұлттық зертханасы отандық ғылым мен техниканың өзекті мәселелерін шешуге ұмтылады. Америка Құрама Штаттарындағы алғашқы ұлттық зертхана ретінде Аргонна іс жүзінде кез келген ғылыми пән бойынша алдыңғы қатарлы іргелі және қолданбалы зерттеулер жүргізеді. Аргонна зерттеушілері жүздеген компаниялардың, университеттердің және федералдық, штаттық және муниципалдық агенттіктердің зерттеушілерімен тығыз байланыста жұмыс істейді, оларға нақты мәселелерді шешуге, АҚШ-тың ғылыми көшбасшылығын ілгерілетуге және ұлтты жақсы болашаққа дайындауға көмектеседі. Аргоннада 60-тан астам елден келген қызметкерлер жұмыс істейді және оны АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым кеңсесінің UChicago Argonne LLC басқарады.
АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасы қазіргі заманның кейбір ең өзекті мәселелерін шешумен айналысатын физика ғылымындағы іргелі зерттеулердің елдегі ең ірі қолдаушысы болып табылады. Қосымша ақпарат алу үшін https://energy​.gov/​science​ience сайтына кіріңіз.