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, chiamato NMC, a base di ossido di nichel, manganese e cobalto. Una batteria con questo catodo alimenta attualmente la Chevrolet Bolt.
I ricercatori di Argonne hanno raggiunto un altro importante traguardo nel campo dei catodi NMC. La nuova struttura a minuscole particelle del catodo, sviluppata dal team, potrebbe rendere la batteria più resistente e sicura, consentendole di funzionare a tensioni molto elevate e di offrire maggiore autonomia.
"Ora disponiamo di linee 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 e scarica, le prestazioni calano rapidamente a causa della formazione di crepe nelle particelle del catodo. Per decenni, i ricercatori nel campo delle batterie hanno cercato di trovare un modo per riparare queste crepe.
In passato, un metodo utilizzava minuscole particelle sferiche composte da molte particelle molto più piccole. Le particelle sferiche di grandi dimensioni 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 di carica/scarica. Per evitare ciò, Xu e i colleghi di Argonne avevano precedentemente sviluppato un rivestimento polimerico protettivo attorno a ciascuna particella. Questo rivestimento avvolge le particelle sferiche di grandi dimensioni e le particelle più piccole al loro interno.
Un altro modo per evitare questo tipo di fessurazione è utilizzare particelle monocristalline. La microscopia elettronica di queste particelle ha dimostrato che non presentano confini.
Il problema per il team era che i catodi realizzati con policristalli e monocristalli rivestiti si incrinavano ancora durante i cicli di carica e scarica. 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 effettuate diverse analisi a raggi X su cinque bracci APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). È emerso che quello che gli scienziati ritenevano essere un monocristallo, come dimostrato dalla microscopia elettronica e a raggi X, presentava in realtà un confine al suo interno. La microscopia elettronica a scansione e a trasmissione dei CNM ha confermato questa conclusione.
"Osservando la morfologia superficiale di queste particelle, ci è sembrato che fossero monocristalli", 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 da 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 confini. Testando piccole celle con questo catodo monocristallino ad altissime tensioni, si è osservato un aumento del 25% nell'accumulo di energia per unità di volume, praticamente senza alcuna perdita di prestazioni su 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 arco di tempo.
Calcoli a livello atomico rivelano il meccanismo di riduzione della capacità del catodo. Secondo Maria Chang, nanoscienziata del CNM, i confini tra le celle tendono a perdere atomi di ossigeno più facilmente durante la carica della batteria rispetto alle aree più distanti. Questa perdita di ossigeno porta al degrado del ciclo di vita della cella.
"I nostri calcoli dimostrano come il confine possa portare al rilascio di ossigeno ad alta pressione, il che può comportare una riduzione delle prestazioni", ha affermato Chan.
L'eliminazione del confine impedisce lo sviluppo di ossigeno, migliorando così la sicurezza e la stabilità ciclica del catodo. Le misurazioni dello sviluppo di ossigeno effettuate 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 senza limiti e in grado di funzionare 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 essere applicate anche 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 a disposizione degli utenti per la ricerca interdisciplinare su scala nanometrica, supportata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Insieme, gli NSRC (National Nanotechnology Research Centers) formano un insieme di strutture complementari che forniscono ai ricercatori capacità all'avanguardia per la fabbricazione, la lavorazione, 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 National Laboratories del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ad Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Per ulteriori informazioni sul NSRC DOE, visitare https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-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 vasta comunità di ricercatori nei settori della scienza dei materiali, della chimica, della fisica della materia condensata, delle scienze biologiche e ambientali e della ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per lo studio di materiali e strutture biologiche, della distribuzione degli elementi, degli stati chimici, magnetici ed elettronici e di sistemi ingegneristici di fondamentale importanza di ogni tipo, dalle batterie agli iniettori di carburante, elementi vitali per la nostra economia, tecnologia e salute. Ogni anno, oltre 5.000 ricercatori utilizzano l'APS per pubblicare più di 2.000 articoli scientifici che descrivono importanti scoperte e risolvono un numero di strutture proteiche biologiche più rilevante di qualsiasi altro centro di ricerca a raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri dell'APS stanno implementando tecnologie innovative che sono alla base del miglioramento delle prestazioni degli acceleratori e delle sorgenti di luce. Ciò include dispositivi di input che producono raggi X estremamente brillanti, 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 dell'APS. La ricerca genera enormi volumi di dati.
Questo studio ha utilizzato le risorse dell'Advanced Photon Source, un centro utenti dell'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gestito dall'Argonne National Laboratory per conto dell'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nell'ambito del contratto numero DE-AC02-06CH11357.
L'Argonne National Laboratory si impegna a risolvere i problemi più urgenti della scienza e della tecnologia negli Stati Uniti. In quanto primo laboratorio nazionale degli Stati Uniti, Argonne conduce ricerche di base e applicate all'avanguardia in praticamente ogni disciplina scientifica. I ricercatori di Argonne collaborano strettamente 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 a un futuro migliore. Argonne impiega personale proveniente da oltre 60 paesi ed è gestito da UChicago Argonne, LLC, parte dell'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
L'Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è il principale promotore della ricerca di base nelle scienze fisiche a livello nazionale, impegnato ad affrontare alcune delle problematiche più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare il sito https://​energy​.gov/​science​ience.