I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) vantano una lunga storia di scoperte pionieristiche nel campo delle batterie agli ioni di litio. Molti di questi risultati riguardano il catodo della batteria, denominato NMC, composto da nichel, manganese e ossido di cobalto. Una batteria con questo catodo alimenta ora la Chevrolet Bolt.
I ricercatori di Argonne hanno raggiunto un'altra svolta nei catodi NMC. La nuova struttura a minuscole particelle catodiche sviluppata dal team potrebbe rendere la batteria più durevole e sicura, in grado di funzionare a tensioni molto elevate e di garantire autonomie maggiori.
"Ora disponiamo di una guida che i produttori di batterie possono utilizzare per realizzare materiali catodici ad alta pressione e senza bordi", ha affermato Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Gli attuali catodi NMC rappresentano un ostacolo importante per le applicazioni ad alta tensione", ha affermato il chimico assistente Guiliang Xu. Con i cicli di carica-scarica, le prestazioni diminuiscono rapidamente a causa della formazione di crepe nelle particelle del catodo. Per decenni, i ricercatori nel campo delle batterie hanno cercato modi per riparare queste crepe.
Un metodo utilizzato in passato utilizzava minuscole particelle sferiche composte da molte particelle molto più piccole. Le particelle sferiche più grandi sono policristalline, con domini cristallini di vari orientamenti. Di conseguenza, presentano quelli che gli scienziati chiamano confini di 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 le particelle sferiche più grandi e le particelle più piccole al loro interno.
Un altro modo per evitare questo tipo di crepe è utilizzare particelle monocristalline. L'analisi al microscopio elettronico di queste particelle ha dimostrato che non hanno confini.
Il problema per il team era che i catodi realizzati con policristalli rivestiti e monocristalli si crepavano comunque durante il ciclo. Pertanto, hanno condotto un'analisi approfondita di questi materiali catodici presso l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanomaterials (CNM) dell'Argonne Science Center del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Sono state eseguite diverse analisi a raggi X su cinque bracci di APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Si è scoperto che ciò che gli scienziati pensavano fosse un monocristallo, come mostrato dalla microscopia elettronica e a raggi X, in realtà presentava un confine interno. La microscopia elettronica a scansione e a trasmissione dei CNM ha confermato questa conclusione.
"Quando abbiamo osservato la morfologia superficiale di queste particelle, sembravano cristalli singoli", ha affermato il fisico Wenjun Liu. â�<“但是 ，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X "" 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。”"Tuttavia, quando abbiamo utilizzato una tecnica chiamata microscopia a diffrazione di raggi X di sincrotrone e altre tecniche presso l'APS, abbiamo scoperto che i confini erano nascosti all'interno."
È importante sottolineare che il team ha sviluppato un metodo per produrre monocristalli senza limiti. Testando piccole celle con questo catodo monocristallino a tensioni molto elevate, si è osservato un aumento del 25% dell'accumulo di energia per unità di volume, senza praticamente alcuna perdita di prestazioni nell'arco di 100 cicli di test. Al contrario, i catodi NMC composti da monocristalli multi-interfaccia o policristalli rivestiti hanno mostrato un calo di capacità dal 60% all'88% nello stesso periodo di tempo.
Calcoli su scala atomica rivelano il meccanismo di riduzione della capacità del catodo. Secondo Maria Chang, nanoscienziata del CNM, i confini hanno maggiori probabilità di perdere atomi di ossigeno quando la batteria è carica rispetto alle aree più lontane da essi. Questa perdita di ossigeno porta alla degradazione del ciclo cellulare.
"I nostri calcoli mostrano come il confine possa portare al rilascio di ossigeno ad alta pressione, il che può portare a una riduzione delle prestazioni", ha affermato 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 APS e una sorgente luminosa avanzata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti confermano questa conclusione.
"Ora disponiamo di linee guida che i produttori di batterie possono utilizzare per realizzare materiali catodici che non hanno limiti e funzionano ad alta pressione", ha affermato Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. 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。"“Le linee guida dovrebbero applicarsi ai materiali catodici diversi dall’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 Sun, Tao Zhou, Ming Du e Zonghai Chen. Scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), dell'Università di Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e dell'Università di Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Informazioni sull'Argonne Center for Nanomaterials Il Center for Nanomaterials, uno dei cinque centri di ricerca sulle nanotecnologie del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è la principale istituzione nazionale per la ricerca interdisciplinare su scala nanometrica supportata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Insieme, gli NSRC formano una serie di strutture complementari che forniscono ai ricercatori capacità all'avanguardia per la fabbricazione, l'elaborazione, la caratterizzazione e la modellazione di materiali su scala nanometrica e rappresentano il più grande investimento infrastrutturale nell'ambito della National Nanotechnology Initiative. L'NSRC ha sede presso i Laboratori Nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ad Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Per maggiori informazioni sul NSRC DOE, visitare 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.
L'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory è una delle sorgenti di raggi X più produttive al mondo. L'APS fornisce raggi X ad alta intensità a una comunità di ricerca diversificata nei settori della scienza dei materiali, della chimica, della fisica della materia condensata, delle scienze della vita e ambientali e della ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per studiare materiali e strutture biologiche, la distribuzione degli elementi, gli stati chimici, magnetici ed elettronici e sistemi ingegneristici tecnicamente importanti di ogni tipo, dalle batterie agli ugelli degli iniettori di carburante, che sono vitali per la nostra economia nazionale, la tecnologia e il corpo. La base della salute. Ogni anno, oltre 5.000 ricercatori utilizzano l'APS per pubblicare più di 2.000 pubblicazioni che descrivono in dettaglio importanti scoperte e risolvono più importanti strutture proteiche biologiche rispetto agli utenti di qualsiasi altro centro di ricerca sui raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri dell'APS stanno implementando tecnologie innovative che costituiscono la base per migliorare le prestazioni degli acceleratori e delle sorgenti luminose. Ciò include dispositivi di input che producono raggi X estremamente luminosi, molto apprezzati dai ricercatori, lenti che focalizzano i raggi X fino a pochi nanometri, strumenti che massimizzano il modo in cui i raggi X interagiscono con il campione in esame e la raccolta e la gestione delle scoperte APS. La ricerca genera enormi volumi di dati.
Questo studio ha utilizzato risorse di Advanced Photon Source, un centro utenti dell'Ufficio per la scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti gestito dall'Argonne National Laboratory per l'Ufficio per la scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti con il numero di contratto DE-AC02-06CH11357.
L'Argonne National Laboratory si impegna a risolvere i problemi urgenti della scienza e della tecnologia nazionale. In qualità di primo laboratorio nazionale degli Stati Uniti, l'Argonne conduce ricerche di base e applicate all'avanguardia in praticamente ogni disciplina scientifica. I ricercatori dell'Argonne collaborano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere problemi specifici, promuovere la leadership scientifica statunitense e preparare la nazione per un futuro migliore. L'Argonne impiega dipendenti provenienti da oltre 60 paesi ed è gestito da UChicago Argonne, LLC dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
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