Vísindamenn við bandaríska orkumálaráðuneytið (DOE) Argonne National Laboratory hafa langa sögu um brautryðjandi uppgötvanir á sviði litíumjónarafhlöður. Margar af þessum niðurstöðum eru fyrir rafhlöðubakskautið, kallað NMC, nikkel mangan og kóbaltoxíð. Rafhlaða með þessum bakskaut knýr nú Chevrolet boltann.
Vísindamenn Argonne hafa náð öðru bylting í bakskautum NMC. Nýja pínulítill bakskautagagnaskipan liðsins gæti gert rafhlöðuna endingargóðari og öruggari, fær um að starfa við mjög háa spennu og veita lengri ferðabil.
„Við höfum nú leiðbeiningar um að rafhlöðuframleiðendur geti notað til að búa til háþrýsting, landamæralausa bakskaut efni,“ sagði Khalil Amin, argonne náungi emeritus.
„Núverandi NMC bakskautar sýna mikla hindrun fyrir háspennuvinnu,“ sagði aðstoðarmaður efnafræðings Guiliang Xu. Með hjólreiðum á hleðslu, lækkar árangur hratt vegna myndunar sprungna í bakskautagnirnar. Í áratugi hafa vísindamenn rafhlöðu verið að leita að leiðum til að gera við þessar sprungur.
Ein aðferð í fortíðinni notaði örlítið kúlulaga agnir sem samanstendur af mörgum miklu minni agnum. Stórar kúlulaga agnir eru fjölkristallaðar, með kristallað svið ýmissa stefnumörkunar. Fyrir vikið hafa þeir það sem vísindamenn kalla kornamörk milli agna, sem geta valdið því að rafhlaðan klikkar meðan á hringrás stendur. Til að koma í veg fyrir þetta höfðu samstarfsmenn Xu og Argonne áður þróað verndandi fjölliða lag í kringum hverja ögn. Þessi húðun umlykur stórar kúlulaga agnir og smærri agnir innan þeirra.
Önnur leið til að forðast sprungu af þessu tagi er að nota stakar kristalagnir. Rafeindasmásjá af þessum agnum sýndi að þær hafa engin mörk.
Vandamálið fyrir liðið var að bakskaut úr húðuðum fjölkristöllum og stökum kristöllum sem enn voru klikkaðir við hjólreiðar. Þess vegna gerðu þeir víðtæka greiningu á þessum bakskautsefnum á Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanomaterials (CNM) í bandaríska orkumálaráðuneytinu Argonne Science Center.
Ýmsar röntgengreiningar voru gerðar á fimm APS handleggjum (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C og 34-ID-E). Það kemur í ljós að það sem vísindamenn töldu vera einn kristal, eins og sýnt var með rafeinda- og röntgenmyndasmásjá, hafði í raun mörk inni. Skönnun og smit rafeindasmásjá á CNMS staðfesti þessa niðurstöðu.
„Þegar við skoðuðum yfirborðsforms þessara agna litu þær út eins og stakir kristallar,“ 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 技术 和 其他 ， ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”„Þegar við notuðum tækni sem kallast Synchrotron röntgengeislun smásjá og aðrar aðferðir við APS, komumst við að því að mörkin voru falin inni.“
Mikilvægt er að teymið hefur þróað aðferð til að framleiða staka kristalla án marka. Að prófa litlar frumur með þessum stakkristal bakskaut við mjög háspennu sýndi 25% aukningu á orkugeymslu á rúmmál einingar og nánast ekkert tap á afköstum yfir 100 prófunarlotur. Aftur á móti sýndu NMC bakskaut sem samanstendur af stökum kristöllum með mörgum tengingum eða húðuðum fjölkristöllum 60% í 88% á sömu ævi.
Útreikningar á atómskala sýna fyrirkomulag minnkunar á bakskaut. Samkvæmt Maria Chang, nanósíalistum við CNM, eru líklegra að mörkin missi súrefnisatóm þegar rafhlaðan er hlaðin en svæði lengra frá þeim. Þetta tap á súrefni leiðir til niðurbrots frumuhringsins.
„Útreikningar okkar sýna hvernig mörkin geta leitt til þess að súrefni losnar við háan þrýsting, sem getur leitt til minni árangurs,“ sagði Chan.
Að útrýma mörkunum kemur í veg fyrir súrefnisþróun og bætir þar með öryggi og hringlaga stöðugleika bakskautsins. Mælingar á súrefnisþróun með APS og háþróaðri ljósgjafa hjá bandaríska orkumálaráðuneytinu, Lawrence Berkeley National Laboratory, staðfesta þessa niðurstöðu.
„Nú höfum við leiðbeiningar um að rafhlöðuframleiðendur geti notað til að búa til bakskaut efni sem hafa engin mörk og starfa við háan þrýsting,“ sagði Khalil Amin, félagi Argonne. 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 eiga við um bakskaut efni 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, Inhui Hwang, Chengjun, Tao Zhous, Inhui Hwang, Chengard. 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 háskólinn (Dongsheng Ren, Xuning Feng og Mingao Ouyang).
Um Argonne Center for Nanomaterials Miðstöð nanóefna, ein af fimm bandarísku deildinni í orkusviðs nanótækni, er fyrsta notendastofnunin fyrir þverfaglegar rannsóknir á nanóskala sem studdar eru af vísindaskrifstofu bandaríska orkumálaráðuneytisins. Saman mynda NSRC föruneyti af viðbótaraðstöðu sem veitir vísindamönnum nýjasta getu til að búa til, vinna, einkenna og móta nanóskalefni og tákna stærsta fjárfestingu í innviðum undir Nanotechnology frumkvæði. NSRC er staðsett á bandarísku orkumálaráðuneytinu í Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia og Los Alamos. Fyrir frekari upplýsingar um NSRC DOE, heimsóttu https: // vísindi .osti .gov/us er-f a c i kveikir ie s/us er-f a c i l it ie ie s-við -a svip.
Advanced Photon Source í Bandaríkjunum (APS) á Argonne National Laboratory er ein afkastamesta röntgengeislunarheimild í heiminum. APS veitir fjölbreyttu rannsóknarsamfélagi með mikla styrkleika í efnafræði, efnafræði, eðlisfræði, lífs- og umhverfisvísindum og beittum rannsóknum. Þessar röntgenmyndir eru tilvalnar til að rannsaka efni og líffræðilega mannvirki, dreifingu frumefna, efnafræðileg, segul- og rafræn ástand og tæknilega mikilvæg verkfræðikerfi af öllum gerðum, allt frá rafhlöðum til stúta fyrir sprautu með inndælingartæki, sem eru nauðsynleg fyrir þjóðarbúskap okkar, tækni. og líkami grundvöllur heilsu. Á hverju ári nota meira en 5.000 vísindamenn APS til að birta meira en 2.000 rit þar sem gerð er grein fyrir mikilvægum uppgötvunum og leysa mikilvægari líffræðilegar próteinbyggingar en notendur annarra röntgenrannsóknarmiðstöðvar. Vísindamenn APS og verkfræðingar eru að innleiða nýstárlega tækni sem er grunnurinn að því að bæta afköst eldsneytisgjöf og ljósgjafa. Þetta felur í sér inntakstæki sem framleiða afar bjarta röntgengeisla sem vísindamenn hafa verið metnir, linsur sem einbeita röntgengeislum niður í nokkra nanómetra, tæki sem hámarka hvernig röntgengeislar hafa samskipti við úrtakið sem verið er að rannsaka og söfnun og stjórnun APS uppgötvana rannsókna býr til mikið gagnagrunn.
Þessi rannsókn nýtti auðlindir frá Advanced Photon Source, bandarísku orkumálaráðuneytinu í vísindamiðstöðinni sem rekin er af Argonne National Laboratory fyrir bandaríska orkumálaráðuneytið undir samningsnúmeri DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory leitast við að leysa brýn vandamál innlendra vísinda og tækni. Sem fyrsta þjóðrannsóknarstofan í Bandaríkjunum stundar Argonne nýjunga og beittar rannsóknir í nánast öllum vísindalegum aga. Vísindamenn Argonne vinna náið með vísindamönnum frá hundruðum fyrirtækja, háskóla og alríkis-, ríkis- og sveitarstjórnarstofnana til að hjálpa þeim að leysa sérstök vandamál, efla bandarískan vísindalegan forystu og undirbúa þjóðina fyrir betri framtíð. Hjá argonne starfa starfsmenn frá yfir 60 löndum og er rekið af Uchicago Argonne, LLC á bandaríska orkumálaráðuneytinu.
Skrifstofa vísinda bandaríska orkumálaráðuneytisins er stærsti talsmaður þjóðarinnar í grunnrannsóknum í eðlisvísindum og vinnur að því að taka á nokkrum brýnustu málum okkar tíma. Frekari upplýsingar er að finna á https: // Energy .Gov/Science ience.