I ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno una lunga storia di scoperte pionieristiche nel campo delle batterie agli ioni di litio. Molti di questi risultati sono per il catodo della batteria, chiamato NMC, nichel manganese e ossido di cobalto. Una batteria con questo catodo ora alimenta il bullone Chevrolet.
I ricercatori di Argonne hanno raggiunto un'altra svolta nei catodi NMC. La nuova piccola struttura di particelle di catodo del team potrebbe rendere la batteria più resistente e più sicura, in grado di funzionare a tensioni molto alte e fornire intervalli di viaggio più lunghi.
"Ora abbiamo una guida che i produttori di batterie possono utilizzare per produrre materiali catodici senza pressione ad alta pressione", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"I catodi NMC esistenti presentano un grosso ostacolo per lavori ad alta tensione", ha affermato l'assistente chimico Guiliang Xu. Con il ciclo di scarica di carica, le prestazioni diminuiscono rapidamente a causa della formazione di fessure nelle particelle di catodo. Per decenni, i ricercatori della batteria hanno cercato modi per riparare queste crepe.
Un metodo in passato utilizzava piccole particelle sferiche composte da molte particelle molto più piccole. Le grandi particelle sferiche sono policristalline, con domini cristallini di vari orientamenti. Di conseguenza, hanno ciò che gli scienziati chiamano i confini del grano tra le particelle, che possono causare la rottura della batteria durante un ciclo. Per evitare ciò, i colleghi di Xu e Argonne avevano precedentemente sviluppato un rivestimento polimerico protettivo attorno a ciascuna particella. Questo rivestimento circonda grandi particelle sferiche e particelle più piccole al loro interno.
Un altro modo per evitare questo tipo di crack è usare particelle di cristallo singolo. La microscopia elettronica di queste particelle ha mostrato che non hanno confini.
Il problema per la squadra era che i catodi realizzati in policristalli rivestiti e singoli cristalli ancora si spezzavano durante il ciclo. Pertanto, hanno condotto un'analisi approfondita di questi materiali catodici presso la fonte avanzata di Photon (APS) e Center for Nanomaterials (CNM) presso il Centro scientifico dell'Argonne del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Varie analisi a raggi X sono state eseguite su cinque bracci APS (11 bm, 20 bm, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Si scopre che ciò che gli scienziati pensavano fosse un singolo cristallo, come mostrato dalla microscopia a raggi X e a raggi X, aveva effettivamente un confine all'interno. La microscopia elettronica a scansione e trasmissione di CNM ha confermato questa conclusione.
"Quando abbiamo guardato la morfologia superficiale di queste particelle, sembravano singoli cristalli", ha detto il fisico Wenjun Liu. 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。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。 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 射线 显微镜 的 技术 和 其他 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 在。 在。 在。 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 隐藏 边界 边界 边界 tivamente"Tuttavia, quando abbiamo usato una tecnica chiamata microscopia di diffrazione dei raggi X Synchrotron e altre tecniche agli AP, abbiamo scoperto che i confini erano nascosti all'interno."
È importante sottolineare che il team ha sviluppato un metodo per produrre singoli cristalli senza confini. Il test delle piccole celle con questo catodo a cristallo singolo a tensioni molto elevate ha mostrato un aumento del 25% di accumulo di energia per unità di volume con praticamente nessuna perdita di prestazioni oltre 100 cicli di test. Al contrario, i catodi NMC composti da singoli cristalli multi-interfaccia o policristalli rivestiti hanno mostrato un calo della capacità del 60% all'88% nella stessa durata.
I calcoli della scala atomica rivelano il meccanismo di riduzione della capacità del catodo. Secondo Maria Chang, una nanoscienziata a CNM, è più probabile che i confini perdano gli atomi di ossigeno quando la batteria viene caricata rispetto alle aree più lontane da loro. Questa perdita di ossigeno porta al degrado del ciclo cellulare.
"I nostri calcoli mostrano come il confine può portare all'ossigeno rilasciato ad alta pressione, il che può portare a prestazioni ridotte", ha detto Chan.
L'eliminazione del confine impedisce l'evoluzione dell'ossigeno, migliorando così la sicurezza e la stabilità ciclica del catodo. Le misurazioni dell'evoluzione dell'ossigeno con AP e una fonte di luce avanzata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti confermano questa conclusione.
"Ora abbiamo linee guida che i produttori di batterie possono utilizzare per creare materiali catodici che non hanno confini e operare ad alta pressione", ha affermato Khalil Amin, compagno emerito di Argonne. â� <“该指南应适用于 NMC 以外的其他正极材料。 以外的其他正极材料。 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。 以外的其他正极材料。 以外的其他正极材料。"Le linee guida dovrebbero essere applicate a materiali catodici diversi da NMC."
Un articolo su questo studio è apparso sulla rivista Nature Energy. Oltre a Xu, Amin, Liu e Chang, gli autori di Argonne sono Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming Du, Ming du, Zonghai Chen. Scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), dell'Università di Xiamen (fan di Jing-Jing, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e Università di Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Informazioni sul Centro Argonne per i nanomateriali, il Center for Nanomaterials, uno dei cinque centri di ricerca sulle nanotecnologie per nanotecnologie dell'Energia degli Stati Uniti, è il principale istituto di utente nazionale per la ricerca interdisciplinare in nanoscala supportata dall'ufficio della scienza del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti. Insieme, gli NSRC formano una suite di strutture complementari che forniscono ai ricercatori capacità all'avanguardia per fabbricare, elaborare, caratterizzare e modellare i materiali nanoscale e rappresentare i maggiori investimenti di infrastruttura nell'ambito della National Nanotechnology Initiative. L'NSRC si trova presso il Dipartimento degli Stati Uniti National Laboratories di Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Per ulteriori informazioni sul DOE NSRC, visitare https: // science .osti .gov/us er-f a c ho acceso ie s/us er-f a c i l it ie ie s-at -a glance.
La fonte di fotoni avanzate (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory è una delle fonti a raggi X più produttive al mondo. APS fornisce raggi X ad alta intensità a una comunità di ricerca diversificata in scienze dei materiali, chimica, fisica della materia condensata, scienze della vita e ambientale e ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per lo studio di materiali e strutture biologiche, la distribuzione di elementi, stati chimici, magnetici ed elettronici e sistemi di ingegneria tecnicamente importanti di ogni tipo, dalle batterie agli ugelli iniettori di alimentazione, che sono fondamentali per la nostra economia nazionale, tecnologia. e corpo la base della salute. Ogni anno, oltre 5.000 ricercatori utilizzano APS per pubblicare oltre 2.000 pubblicazioni che descrivono in dettaglio importanti scoperte e risolvendo le strutture proteiche biologiche più importanti rispetto agli utenti di qualsiasi altro centro di ricerca a raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri APS stanno implementando tecnologie innovative che sono la base per migliorare le prestazioni di acceleratori e fonti di luce. Ciò include dispositivi di input che producono raggi X estremamente luminosi apprezzati da ricercatori, obiettivi che focalizzano i raggi X fino a pochi nanometri, strumenti che massimizzano il modo in cui i raggi X interagiscono con il campione in studio e la raccolta e la gestione delle scoperte APS la ricerca generano enormi volumi di dati.
Questo studio ha utilizzato le risorse della fonte di fotoni avanzati, un centro utente del Dipartimento di Scienze degli Stati Uniti gestito dal laboratorio nazionale di Argonne per l'Ufficio di scienze del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti ai sensi del numero di contratto DE-AC02-06CH11357.
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