Vísindamenn hjá bandaríska orkumálaráðuneytinu (DOE) Argonne National Laboratory hafa langa sögu um brautryðjendauppgötvun á sviði litíumjónarafhlöðu. Margar af þessum niðurstöðum eru fyrir bakskaut rafhlöðunnar, sem kallast NMC, nikkelmangan og kóbaltoxíð. Rafhlaða með þessari bakskaut knýr nú Chevrolet Bolt.
Argonne vísindamenn hafa náð annarri byltingu í NMC bakskautum. Nýja pínulítil bakskautagna uppbygging liðsins gæti gert rafhlöðuna endingargóðari og öruggari, fær um að starfa við mjög háa spennu og veita lengra ferðasvið.
„Við höfum nú leiðbeiningar sem rafhlöðuframleiðendur geta notað til að búa til háþrýstings, landamæralaus bakskautsefni,“ Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
„Núverandi NMC bakskaut eru mikil hindrun fyrir háspennuvinnu,“ sagði aðstoðarefnafræðingur Guiliang Xu. Með hleðslu-úthleðslu hringrás, lækkar afköst hratt vegna myndunar sprungna í bakskautsagnirnar. Í áratugi hafa rafhlöðurannsóknarmenn leitað leiða til að laga þessar sprungur.
Ein aðferð í fortíðinni notaði örsmáar kúlulaga agnir sem samanstanda af mörgum mun minni ögnum. Stórar kúlulaga agnir eru fjölkristallaðar, með kristallað lén með mismunandi stefnu. Fyrir vikið hafa þeir það sem vísindamenn kalla kornamörk á milli agna, sem geta valdið því að rafhlaðan springur í hringrás. Til að koma í veg fyrir þetta höfðu samstarfsmenn Xu og Argonne áður þróað hlífðar fjölliðahúð utan um hverja ögn. Þessi húð umlykur stórar kúlulaga agnir og smærri agnir innan þeirra.
Önnur leið til að forðast þessa tegund af sprungum er að nota einkristallagnir. Rafeindasmásjárgreining á þessum ögnum sýndi að þær hafa engin mörk.
Vandamálið fyrir liðið var að bakskaut úr húðuðum fjölkristöllum og einkristöllum sprungu enn í hjólreiðum. Þess vegna gerðu þeir víðtæka greiningu á þessum bakskautsefnum í Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) í Argonne vísindamiðstöð bandaríska orkumálaráðuneytisins.
Ýmsar röntgengreiningar voru gerðar á fimm APS örmum (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C og 34-ID-E). Það kemur í ljós að það sem vísindamenn héldu að væri einn kristal, eins og sést með rafeinda- og röntgensmásjá, hafði í raun mörk inni. Skönnun og rafeindasmásjá á CNM staðfestu þessa niðurstöðu.
„Þegar við skoðuðum formgerð yfirborðs þessara agna litu þær út eins og einkristallar,“ sagði eðlisfræðingur Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X 射线衍射显微镜皻倌木微镜皻倌朑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 的 显微镜 的 时 家们 发现 边界 隐藏 在。”„Hins vegar, þegar við notuðum tækni sem kallast synchrotron röntgengeislunarsmásjá og aðrar aðferðir hjá APS, komumst við að því að mörkin voru falin inni.
Mikilvægt er að teymið hefur þróað aðferð til að framleiða staka kristalla án landamæra. Prófanir á litlum frumum með þessari einskristal bakskaut við mjög háa spennu sýndu 25% aukningu á orkugeymslu á rúmmálseiningu með nánast ekkert tap á afköstum yfir 100 prófunarlotur. Aftur á móti sýndu NMC bakskaut úr fjöltengi einkristöllum eða húðuðum fjölkristöllum 60% til 88% afkastagetu á sama líftíma.
Útreikningar á frumeindakvarða sýna hvernig bakskautsrýrnunin er minnkun. Samkvæmt Maria Chang, nanóvísindamanni við CNM, eru mörk líklegri til að missa súrefnisatóm þegar rafhlaðan er hlaðin en svæði lengra frá þeim. Þetta súrefnistap leiðir til niðurbrots á frumuhringnum.
„Útreikningar okkar sýna hvernig mörkin geta leitt til þess að súrefni losnar við háan þrýsting, sem getur leitt til skertrar frammistöðu,“ sagði Chan.
Að útrýma mörkunum kemur í veg fyrir súrefnisþróun og bætir þar með öryggi og hringrásarstöðugleika bakskautsins. Súrefnisþróunarmælingar með APS og háþróaðri ljósgjafa hjá Lawrence Berkeley National Laboratory hjá bandaríska orkumálaráðuneytinu staðfesta þessa niðurstöðu.
„Nú höfum við leiðbeiningar sem rafhlöðuframleiðendur geta notað til að búa til bakskautsefni sem hafa engin mörk og starfa við háþrýsting,“ sagði 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。”"Leiðbeiningar ættu að gilda um bakskautsefni önnur en NMC."
Grein um þessa rannsókn birtist í tímaritinu Nature Energy. Auk Xu, Amin, Liu og Chang eru Argonne höfundarnir 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 og Zonghai Chen. Vísindamenn frá Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li og Zengqing Zhuo), Xiamen háskólanum (Jing-Jing Fan, Ling Huang og Shi-Gang Sun) og Tsinghua háskólanum (Dongsheng Ren, Xuning Feng og Mingao Ouyang).
Um Argonne Center for Nanomaterials Center for Nanomaterials, ein af fimm rannsóknamiðstöðvum bandaríska orkumálaráðuneytisins í nanótækni, er fyrsta landsnotendastofnunin fyrir þverfaglegar rannsóknir á nanókvarða sem studdar eru af vísindaskrifstofu bandaríska orkumálaráðuneytisins. Saman mynda NSRCs svíta af viðbótaraðstöðu sem veita vísindamönnum nýjustu getu til að búa til, vinna, einkenna og móta nanóskala efni og tákna stærstu innviðafjárfestingu samkvæmt National Nanotechnology Initiative. NSRC er staðsett hjá bandaríska orkumálaráðuneytinu í Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. Fyrir frekari upplýsingar um NSRC DOE, farðu á https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​ilit​​​ie​s​/​Us​ er​-​Faci​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​Glance.
Advanced Photon Source (APS) bandaríska orkumálaráðuneytisins við Argonne National Laboratory er ein afkastamesta röntgengeislagjafi í heimi. APS veitir hástyrktar röntgengeislar til fjölbreytts rannsóknarsamfélags í efnisfræði, efnafræði, eðlisfræði þétts efnis, líf- og umhverfisvísindum og hagnýtum rannsóknum. Þessar röntgengeislar eru tilvalin til að rannsaka efni og líffræðilega uppbyggingu, dreifingu frumefna, efna-, segul- og rafeindaástand og tæknilega mikilvæg verkfræðikerfi af öllu tagi, allt frá rafhlöðum til eldsneytissprautustúta, sem eru lífsnauðsynleg fyrir þjóðarhag okkar, tækni. . og líkami Grunnur heilsu. Á hverju ári nota meira en 5.000 vísindamenn APS til að gefa út meira en 2.000 rit sem lýsa mikilvægum uppgötvunum og leysa mikilvægari líffræðileg próteinbyggingu en notendur nokkurrar annarrar röntgenrannsóknarstöðvar. APS vísindamenn og verkfræðingar eru að innleiða nýstárlega tækni sem er grundvöllur þess að bæta afköst hraða og ljósgjafa. Þetta felur í sér inntakstæki sem framleiða mjög bjarta röntgengeisla sem vísindamenn hafa lofað, linsur sem einbeita röntgengeislum niður í nokkra nanómetra, tæki sem hámarka hvernig röntgengeislar hafa samskipti við sýnið sem er rannsakað og söfnun og stjórnun APS uppgötvana Rannsóknir búa til mikið gagnamagn.
Þessi rannsókn nýtti auðlindir frá Advanced Photon Source, US Department of Energy Office of Science User Center starfrækt af Argonne National Laboratory fyrir US Department of Energy Office of Science undir samningsnúmeri DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory leitast við að leysa brýn vandamál innanlandsvísinda og tækni. Sem fyrsta innlenda rannsóknarstofan í Bandaríkjunum, stundar Argonne háþróaða grunn- og hagnýtar rannsóknir í nánast öllum vísindagreinum. Argonne vísindamenn vinna náið með vísindamönnum frá hundruðum fyrirtækja, háskóla og alríkis-, ríkis- og bæjarstofnana til að hjálpa þeim að leysa ákveðin vandamál, efla bandaríska vísindaleiðtoga og búa þjóðina undir betri framtíð. Argonne hefur starfsmenn frá yfir 60 löndum og er rekið af UChicago Argonne, LLC hjá vísindaskrifstofu bandaríska orkumálaráðuneytisins.
Vísindaskrifstofa bandaríska orkumálaráðuneytisins er stærsti talsmaður þjóðarinnar um grunnrannsóknir í raunvísindum og vinnur að því að taka á sumum brýnustu málum samtímans. Fyrir frekari upplýsingar, farðu á https://​energy​.gov/​science​ience.