Rannsakendur við Argonne National Laboratory í bandaríska orkumálaráðuneytinu (DOE) eiga sér langa sögu brautryðjendastarfs á sviði litíum-jón rafhlöðu. Margar af þessum niðurstöðum eru fyrir rafhlöðubakskautið, sem kallast NMC, nikkel-mangan og kóbaltoxíð. Rafhlaða með þessari bakskauti knýr nú Chevrolet Bolt.
Rannsakendur við Argonne hafa náð enn einu byltingunni í þróun NMC-katóða. Nýja, örsmáu katóðaagnabygging teymisins gæti gert rafhlöðuna endingarbetri og öruggari, fær um að starfa við mjög háa spennu og veita lengri ferðadrægni.
„Við höfum nú leiðbeiningar sem rafhlöðuframleiðendur geta notað til að framleiða katóðuefni fyrir háþrýsting, án jaðara,“ sagði Khalil Amin, félagi emeritus í Argonne.
„Núverandi NMC-katóður eru mikil hindrun fyrir háspennuvinnu,“ sagði aðstoðarefnafræðingurinn Guiliang Xu. Með hleðslu- og afhleðsluhringrás minnkar afköstin hratt vegna myndunar sprungna í katóðuögnunum. Í áratugi hafa rafhlöðuvísindamenn leitað leiða til að gera við þessar sprungur.
Ein aðferð áður fyrr notaði örsmáar kúlulaga agnir sem voru samsettar úr mörgum, mun minni ögnum. Stórar kúlulaga agnir eru fjölkristallaðar, með kristallasvæðum af mismunandi stefnu. Fyrir vikið hafa þær það sem vísindamenn kalla kornamörk milli agna, sem geta valdið því að rafhlaðan springi á meðan á hringrás stendur. Til að koma í veg fyrir þetta höfðu samstarfsmenn Xu og Argonne áður þróað verndandi fjölliðuhúð utan um hverja ögn. Þessi húðun umlykur stórar kúlulaga agnir og minni agnir innan í þeim.
Önnur leið til að forðast þess konar sprungur er að nota einkristalla agnir. Rafeindasmásjárskoðun á þessum ögnum sýndi að þær hafa engin mörk.
Vandamálið fyrir teymið var að katóður úr húðuðum fjölkristöllum og einkristöllum sprungu samt við hringrásina. Þess vegna framkvæmdu þeir ítarlega greiningu á þessum katóðuefnum hjá Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) í Argonne Science Center 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 kom í ljós að það sem vísindamenn héldu að væri einn kristal, eins og rafeindasmásjá og röntgensmásjá sýndu, hafði í raun mörk að innan. Skannandi og rafeindasmásjá á CNM staðfesti þessa niðurstöðu.
„Þegar við skoðuðum yfirborðslögun þessara agna, líktust þær einkristallum,“ sagði eðlisfræðingurinn 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。” 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 旊微镜 皜 旊， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Hins vegar, þegar við notuðum tækni sem kallast samstillingarröntgengeislunarsmásjá og aðrar aðferðir við APS, komumst við að því að mörkin voru falin að innan.“
Mikilvægt er að hafa í huga að teymið hefur þróað aðferð til að framleiða einkristalla án marka. Prófun á litlum frumum með þessari einkristallskatóðu við mjög háa spennu sýndi 25% aukningu í orkugeymslu á rúmmálseiningu með nánast engri afköstatöpun yfir 100 prófunarlotur. Aftur á móti sýndu NMC-skatóður, sem samanstanda af fjöltengis-einkristalla eða húðuðum fjölkristöllum, afkastagetulækkun um 60% til 88% yfir sama líftíma.
Útreikningar á frumeindaskala sýna hvernig rafrýmd katóðu minnkar. Samkvæmt Maríu Chang, nanóvísindamanni við CNM, eru mörk líklegri til að missa súrefnisatóm þegar rafhlaðan er hlaðin en svæði sem eru lengra frá þeim. Þetta súrefnistap leiðir til niðurbrots frumuhringrásarinnar.
„Útreikningar okkar sýna hvernig mörkin geta leitt til þess að súrefni losni við mikinn þrýsting, sem getur leitt til skertrar afkösts,“ sagði Chan.
Að fjarlægja mörkin kemur í veg fyrir súrefnismyndun og bætir þannig öryggi og hringrásarstöðugleika katóðunnar. Mælingar á súrefnismyndun með APS og háþróaðri ljósgjafa við Lawrence Berkeley National Laboratory í bandaríska orkumálaráðuneytinu staðfesta þessa niðurstöðu.
„Nú höfum við leiðbeiningar sem rafhlöðuframleiðendur geta notað til að framleiða katóðuefni sem hafa engin mörk og starfa við mikinn þrýsting,“ sagði Khalil Amin, Argonne-félagi 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 önnur katóðuefni 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 Ming Duo Zhou, og Zonghai Ming Duo Zhou. 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-nanóefnismiðstöðina Nanóefnismiðstöðin, ein af fimm rannsóknarmiðstöðvum bandaríska orkumálaráðuneytisins í nanótækni, er fremsta notendastofnun landsins fyrir þverfaglegar rannsóknir á nanóskala sem studdar eru af vísindaskrifstofu bandaríska orkumálaráðuneytisins. Saman mynda NSRC-miðstöðvarnar safn af viðbótaraðstöðu sem veitir vísindamönnum nýjustu getu til að framleiða, vinna úr, greina einkenni og módela nanóefni og eru stærstu fjárfestingar í innviðum innan Þjóðarinnviðaátaksins í nanótækni (National Nanotechnology Initiative). NSRC er staðsett í Þjóðarrannsóknarstofum bandaríska orkumálaráðuneytisins í Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. Frekari upplýsingar um NSRC DOE er að finna á https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/Us er-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Háþróuð ljóseindagjafi (APS) bandaríska orkumálaráðuneytisins í Argonne National Laboratory er ein afkastamesta röntgengeislunargjafi í heimi. APS veitir fjölbreyttum rannsóknarhópi í efnisfræði, efnafræði, eðlisfræði þéttefnis, líf- og umhverfisvísindum og hagnýtum rannsóknum hástyrktar röntgengeislar. Þessar röntgengeislar eru tilvaldar til að rannsaka efni og líffræðilegar byggingar, dreifingu frumefna, efna-, segul- og rafeindaástand og tæknilega mikilvæg verkfræðikerfi af öllum gerðum, allt frá rafhlöðum til eldsneytissprautustúta, sem eru nauðsynleg fyrir þjóðarbúskap okkar, tækni og líkama. Undirstaða heilsu. Á hverju ári nota meira en 5.000 vísindamenn APS til að birta meira en 2.000 rit sem lýsa mikilvægum uppgötvunum og leysa mikilvægari líffræðilegar próteinbyggingar en notendur nokkurrar annarrar röntgenrannsóknarmiðstöðvar. Vísindamenn og verkfræðingar APS eru að innleiða nýstárlega tækni sem er grundvöllur þess að bæta afköst hraðla og ljósgjafa. Þetta felur í sér inntakstæki sem framleiða afar bjartar röntgengeisla sem vísindamenn meta mikils, linsur sem einbeita röntgengeislum niður í nokkra nanómetra, tæki sem hámarka samskipti röntgengeisla við sýnið sem verið er að rannsaka og söfnun og stjórnun á APS uppgötvunum. Rannsóknir framleiða gríðarlegt gagnamagn.
Þessi rannsókn nýtti sér heimildir frá Advanced Photon Source, notendamiðstöð bandaríska orkumálaráðuneytisins, sem rekin er af Argonne National Laboratory fyrir bandaríska orkumálaráðuneytið, undir samningsnúmerinu DE-AC02-06CH11357.
Þjóðarrannsóknarstofan Argonne leitast við að leysa brýn vandamál innlendra vísinda og tækni. Sem fyrsta þjóðarrannsóknarstofan í Bandaríkjunum stundar Argonne háþróaðar grunn- og hagnýtar rannsóknir í nánast öllum vísindagreinum. Rannsakendur Argonne vinna náið með vísindamönnum frá hundruðum fyrirtækja, háskóla og alríkis-, fylkis- og sveitarfélagastofnunum til að hjálpa þeim að leysa tiltekin vandamál, efla vísindalega forystu Bandaríkjanna og undirbúa þjóðina fyrir betri framtíð. Argonne hefur starfsmenn frá yfir 60 löndum og er rekið af UChicago Argonne, LLC innan vísindaskrifstofu bandaríska orkumálaráðuneytisins.
Vísindaskrifstofa bandaríska orkumálaráðuneytisins er stærsti talsmaður þjóðarinnar í grunnrannsóknum í raunvísindum og vinnur að því að taka á nokkrum af brýnustu málum samtímans. Frekari upplýsingar er að finna á https://energy.gov/scienceience.