I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno una lunga storia di scoperte pionieristiche nel campo delle batterie agli ioni di litio. Molti di questi risultati riguardano il catodo della batteria, chiamato NMC, nichel manganese e ossido di cobalto. Una batteria con questo catodo ora alimenta la Chevrolet Bolt.
I ricercatori dell'Argonne hanno ottenuto un altro progresso nei catodi NMC. La nuova minuscola struttura delle particelle catodiche creata dal team potrebbe rendere la batteria più durevole e più sicura, in grado di funzionare a tensioni molto elevate e fornire autonomie di viaggio più lunghe.
“Ora disponiamo di una guida che i produttori di batterie possono utilizzare per realizzare materiali catodici senza bordi e ad alta pressione”, Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"I catodi NMC esistenti rappresentano un grosso ostacolo per il lavoro ad alta tensione", ha affermato l'assistente chimico 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 sulle batterie hanno cercato modi per riparare queste crepe.
In passato un metodo utilizzava minuscole 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 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 grandi particelle sferiche e le particelle più piccole al loro interno.
Un altro modo per evitare questo tipo di cracking è utilizzare particelle monocristalline. La microscopia elettronica di queste particelle ha mostrato che non hanno confini.
Il problema per il team era che i catodi costituiti da policristalli rivestiti e cristalli singoli si rompevano ancora durante il ciclo. Pertanto, hanno condotto analisi approfondite di questi materiali catodici presso l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanomaterials (CNM) presso l'Argonne Science Center del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Sono state eseguite varie analisi a raggi X su cinque bracci APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Si scopre che quello che gli scienziati pensavano fosse un singolo cristallo, come mostrato dalla microscopia elettronica e a raggi X, in realtà aveva un confine all'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 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。” ...现 边界 隐藏 在。”“Tuttavia, quando abbiamo utilizzato una tecnica chiamata microscopia di diffrazione di raggi X di sincrotrone e altre tecniche presso APS, abbiamo scoperto che i confini erano nascosti all’interno”.
È importante sottolineare che il team ha sviluppato un metodo per produrre cristalli singoli senza confini. Il test di piccole celle con questo catodo monocristallo a tensioni molto elevate ha mostrato un aumento del 25% nell'accumulo di energia per unità di volume senza praticamente alcuna perdita di prestazioni su 100 cicli di prova. Al contrario, i catodi NMC composti da cristalli singoli multi-interfaccia o policristalli rivestiti hanno mostrato un calo di capacità dal 60% all'88% nella stessa durata.
Calcoli su scala atomica rivelano il meccanismo di riduzione della capacità catodica. Secondo Maria Chang, nanoscienziata del CNM, è più probabile che i confini perdano atomi di ossigeno quando la batteria viene caricata 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 prestazioni ridotte”, 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 confini 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'Ufficio della Scienza 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 ulteriori informazioni sull'NSRC DOE, visitare https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ e​-​F​a​c​i​l​it​ie​s​-​a​-a​​occhiata.
L'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory è una delle fonti di raggi X più produttive al mondo. APS fornisce raggi X ad alta intensità a una comunità di ricerca diversificata nel campo della scienza dei materiali, della chimica, della fisica della materia condensata, delle scienze della vita e dell'ambiente e della ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per studiare materiali e strutture biologiche, la distribuzione degli elementi, stati chimici, magnetici ed elettronici e sistemi ingegneristici tecnicamente importanti di tutti i tipi, dalle batterie agli ugelli degli iniettori di carburante, che sono vitali per la nostra economia nazionale, la tecnologia . e corpo La base della salute. Ogni anno, più di 5.000 ricercatori utilizzano APS per pubblicare più di 2.000 pubblicazioni che dettagliano scoperte importanti e risolvono strutture proteiche biologiche più importanti 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 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 studio 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 scientifico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti gestito dall'Argonne National Laboratory per l'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti con il numero di contratto DE-AC02-06CH11357.
Il Laboratorio Nazionale Argonne si impegna a risolvere i problemi urgenti della scienza e della tecnologia domestica. Essendo il primo laboratorio nazionale negli Stati Uniti, Argonne conduce ricerca di base e applicata all'avanguardia praticamente in ogni disciplina scientifica. I ricercatori dell’Argonne lavorano 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 degli Stati Uniti e preparare la nazione per un futuro migliore. Argonne impiega dipendenti provenienti da oltre 60 paesi ed è gestita da UChicago Argonne, LLC dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
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