Studiuesit në Laboratorin Kombëtar Argonne të Departamentit të Energjisë të SHBA-së (DOE) kanë një histori të gjatë zbulimesh pioniere në fushën e baterive litium-jon. Shumë nga këto rezultate janë për katodin e baterisë, të quajtur NMC, oksidin e nikelit mangan dhe kobaltit. Një bateri me këtë katodë tani furnizon me energji Chevrolet Bolt.
Studiuesit e Argonne kanë arritur një tjetër përparim në katodat NMC. Struktura e re e grimcave të vogla të katodës e ekipit mund ta bëjë baterinë më të qëndrueshme dhe më të sigurt, të aftë të funksionojë në tensione shumë të larta dhe të ofrojë rreze më të gjata udhëtimi.
“Tani kemi udhëzime që prodhuesit e baterive mund t’i përdorin për të prodhuar materiale katodike pa kufij dhe me presion të lartë”, tha Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Katodat ekzistuese NMC paraqesin një pengesë të madhe për punën me tension të lartë”, tha ndihmëskimisti Guiliang Xu. Me ciklin e ngarkesës-shkarkimit, performanca bie me shpejtësi për shkak të formimit të çarjeve në grimcat e katodës. Për dekada të tëra, studiuesit e baterive kanë kërkuar mënyra për të riparuar këto çarje.
Një metodë në të kaluarën përdorte grimca të vogla sferike të përbëra nga shumë grimca shumë më të vogla. Grimcat e mëdha sferike janë polikristaline, me domene kristalore me orientime të ndryshme. Si rezultat, ato kanë atë që shkencëtarët e quajnë kufij kokrrizash midis grimcave, të cilat mund të shkaktojnë çarjen e baterisë gjatë një cikli. Për ta parandaluar këtë, kolegët e Xu dhe Argonne kishin zhvilluar më parë një shtresë mbrojtëse polimeri rreth secilës grimcë. Kjo shtresë rrethon grimcat e mëdha sferike dhe grimcat më të vogla brenda tyre.
Një mënyrë tjetër për të shmangur këtë lloj çarjeje është përdorimi i grimcave monokristalë. Mikroskopia elektronike e këtyre grimcave tregoi se ato nuk kanë kufij.
Problemi për ekipin ishte se katodat e bëra nga polikristalet e veshura dhe kristalet e vetme prapëseprapë çaheshin gjatë ciklit. Prandaj, ata kryen analiza të gjera të këtyre materialeve të katodës në Burimin e Fotoneve të Avancuara (APS) dhe Qendrën për Nanomateriale (CNM) në Qendrën Shkencore Argonne të Departamentit të Energjisë të SHBA-së.
Analiza të ndryshme me rreze X u kryen në pesë krahë APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C dhe 34-ID-E). Rezulton se ajo që shkencëtarët mendonin se ishte një kristal i vetëm, siç tregohet nga mikroskopia elektronike dhe me rreze X, në të vërtetë kishte një kufi brenda. Mikroskopia elektronike skanuese dhe transmetuese e CNM-ve e konfirmoi këtë përfundim.
"Kur pamë morfologjinë sipërfaqësore të këtyre grimcave, ato dukeshin si kristale të vetme", tha fizikani 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 技我们 发现 边界 隐藏 在。”"Megjithatë, kur përdorëm një teknikë të quajtur mikroskopia e difraksionit me rreze X sinkrotron dhe teknika të tjera në APS, zbuluam se kufijtë ishin të fshehur brenda."
Është e rëndësishme të theksohet se ekipi ka zhvilluar një metodë për të prodhuar kristale të vetme pa kufij. Testimi i qelizave të vogla me këtë katodë me kristal të vetëm në tensione shumë të larta tregoi një rritje prej 25% në ruajtjen e energjisë për njësi vëllimi me praktikisht asnjë humbje në performancë gjatë 100 cikleve të testimit. Në të kundërt, katodat NMC të përbëra nga kristale të vetme me shumë ndërfaqe ose polikristale të veshura treguan një rënie të kapacitetit prej 60% në 88% gjatë të njëjtës jetëgjatësi.
Llogaritjet në shkallë atomike zbulojnë mekanizmin e reduktimit të kapacitetit të katodës. Sipas Maria Chang, një nanoshkencëtare në CNM, kufijtë kanë më shumë gjasa të humbasin atome oksigjeni kur bateria është e ngarkuar sesa zonat më larg tyre. Kjo humbje e oksigjenit çon në degradimin e ciklit qelizor.
"Llogaritjet tona tregojnë se si kufiri mund të çojë në çlirimin e oksigjenit në presion të lartë, gjë që mund të çojë në ulje të performancës", tha Chan.
Eliminimi i kufirit parandalon evolucionin e oksigjenit, duke përmirësuar kështu sigurinë dhe stabilitetin ciklik të katodës. Matjet e evolucionit të oksigjenit me APS dhe një burim drite të përparuar në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley të Departamentit të Energjisë të SHBA-së e konfirmojnë këtë përfundim.
“Tani kemi udhëzime që prodhuesit e baterive mund t’i përdorin për të bërë materiale katodike që nuk kanë kufij dhe që funksionojnë me presion të lartë”, tha 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。”"Udhëzimet duhet të zbatohen për materialet e katodës përveç NMC-së."
Një artikull në lidhje me këtë studim u shfaq në revistën Nature Energy. Përveç Xu, Amin, Liu dhe Chang, autorët e Argonne janë Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Zhuang Dung, Zhunng, M. Shkencëtarët nga Laboratori Kombëtar Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li dhe Zengqing Zhuo), Universiteti Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang dhe Shi-Gang Sun) dhe Universiteti Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng dhe Mingao Ouyang).
Rreth Qendrës Argonne për Nanomateriale Qendra për Nanomateriale, një nga pesë qendrat kërkimore të nanoteknologjisë të Departamentit të Energjisë të SHBA-së, është institucioni kryesor kombëtar përdorues për kërkime ndërdisiplinore në nanoshkalë të mbështetura nga Zyra e Shkencës e Departamentit të Energjisë të SHBA-së. Së bashku, NSRC-të formojnë një sërë objektesh plotësuese që u ofrojnë studiuesve aftësi të teknologjisë së fundit për prodhimin, përpunimin, karakterizimin dhe modelimin e materialeve në nanoshkalë dhe përfaqësojnë investimin më të madh në infrastrukturë në kuadër të Iniciativës Kombëtare të Nanoteknologjisë. NSRC ndodhet në Laboratorët Kombëtarë të Departamentit të Energjisë të SHBA-së në Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia dhe Los Alamos. Për më shumë informacion rreth NSRC DOE, vizitoni https://science.osti.gov/User-Faci-lit-ie-ies-at-a-Glance.
Burimi i Avancuar i Fotoneve (APS) i Departamentit Amerikan të Energjisë në Laboratorin Kombëtar Argonne është një nga burimet më produktive të rrezeve X në botë. APS ofron rreze X me intensitet të lartë për një komunitet të larmishëm kërkimor në shkencën e materialeve, kiminë, fizikën e materies së kondensuar, shkencat e jetës dhe mjedisit, si dhe kërkimin e aplikuar. Këto rreze X janë ideale për të studiuar materialet dhe strukturat biologjike, shpërndarjen e elementeve, gjendjet kimike, magnetike dhe elektronike, dhe sistemet inxhinierike teknikisht të rëndësishme të të gjitha llojeve, nga bateritë te grykat e injektorëve të karburantit, të cilat janë jetësore për ekonominë tonë kombëtare, teknologjinë dhe trupin. Baza e shëndetit. Çdo vit, më shumë se 5,000 studiues përdorin APS për të publikuar më shumë se 2,000 botime që detajojnë zbulime të rëndësishme dhe zgjidhin strukturat më të rëndësishme biologjike të proteinave sesa përdoruesit e çdo qendre tjetër kërkimore të rrezeve X. Shkencëtarët dhe inxhinierët e APS po zbatojnë teknologji inovative që janë baza për përmirësimin e performancës së përshpejtuesve dhe burimeve të dritës. Kjo përfshin pajisje hyrëse që prodhojnë rreze X jashtëzakonisht të ndritshme të çmuara nga studiuesit, lente që i fokusojnë rrezet X deri në disa nanometra, instrumente që maksimizojnë mënyrën se si rrezet X bashkëveprojnë me mostrën nën studim dhe mbledhjen dhe menaxhimin e zbulimeve APS. Hulumtimi gjeneron vëllime të mëdha të të dhënave.
Ky studim përdori burime nga Advanced Photon Source, një Qendër Përdoruesish e Zyrës së Shkencës së Departamentit të Energjisë të SHBA-së, e operuar nga Laboratori Kombëtar Argonne për Zyrën e Shkencës të Departamentit të Energjisë të SHBA-së sipas numrit të kontratës DE-AC02-06CH11357.
Laboratori Kombëtar Argonne përpiqet të zgjidhë problemet urgjente të shkencës dhe teknologjisë vendase. Si laboratori i parë kombëtar në Shtetet e Bashkuara, Argonne kryen kërkime bazë dhe të aplikuara të nivelit të lartë në pothuajse çdo disiplinë shkencore. Studiuesit e Argonne punojnë ngushtë me studiues nga qindra kompani, universitete dhe agjenci federale, shtetërore dhe komunale për t'i ndihmuar ata të zgjidhin probleme specifike, të avancojnë udhëheqjen shkencore të SHBA-së dhe të përgatisin kombin për një të ardhme më të mirë. Argonne punëson punonjës nga mbi 60 vende dhe operohet nga UChicago Argonne, LLC e Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë të SHBA-së.
Zyra e Shkencës e Departamentit të Energjisë të SHBA-së është mbështetësja më e madhe e kërkimit bazë në shkencat fizike në vend, duke punuar për të adresuar disa nga çështjet më urgjente të kohës sonë. Për më shumë informacion, vizitoni https://energy.gov/science.