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 katodën e baterisë, të quajtur NMC, nikel mangan dhe oksid kobalti. Një bateri me këtë katodë tani fuqizon Chevrolet Bolt.
Studiuesit e Argonne kanë arritur një tjetër përparim në katoda NMC. Struktura e re e grimcave të katodës së re të ekipit mund ta bëjë baterinë më të qëndrueshme dhe më të sigurt, të aftë për të funksionuar në tensione shumë të larta dhe për të siguruar diapazon më të gjatë udhëtimi.
"Tani kemi udhëzime që prodhuesit e baterive mund të përdorin për të bërë materiale katodike me presion të lartë dhe pa kufi," Khalil Amin, Argonne Fellow Fellow Emeritus.
"Katodat ekzistuese NMC paraqesin një pengesë të madhe për punën e tensionit të lartë," tha ndihmës kimisti Guiliang Xu. Me ciklin e ngarkimit-shkarkimit, performanca bie me shpejtësi për shkak të formimit të çarjeve në grimcat e katodës. Për dekada, 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 të orientimeve të ndryshme. Si rezultat, ata kanë atë që shkencëtarët i quajnë kufijtë e kokrrave midis grimcave, të cilat mund të shkaktojnë plasaritjen e baterisë gjatë një cikli. Për të parandaluar këtë, kolegët e Xu dhe Argonne kishin zhvilluar më parë një shtresë polimer mbrojtëse rreth secilës grimcë. Kjo shtresë rrethon grimca të mëdha sferike dhe grimca më të vogla brenda tyre.
Një mënyrë tjetër për të shmangur këtë lloj plasaritjeje është përdorimi i grimcave të vetme kristali. Mikroskopi elektronik i këtyre grimcave tregoi se ato nuk kanë kufij.
Problemi për ekipin ishte se katoda të bëra nga polikristale të veshura dhe kristale të vetme plasheshin ende gjatë çiklizmit. Prandaj, ata kryen analiza të gjera të këtyre materialeve katodike në Burimin e Avancuar të Fotonit (APS) dhe Qendrën për Nanomaterialet (CNM) në Qendrën Shkencore Argonne të Departamentit të Energjisë të SHBA.
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 mikroskopi elektronik dhe me rreze X, në fakt kishte një kufi brenda. Skanimi dhe mikroskopi elektronik i transmetimit të CNM-ve konfirmoi këtë përfundim.
"Kur shikuam 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.”
E rëndësishmja, ekipi ka zhvilluar një metodë për prodhimin e kristaleve të vetme pa kufij. Testimi i qelizave të vogla me këtë katodë me një kristal në tensione shumë të larta tregoi një rritje prej 25% në ruajtjen e energjisë për njësi vëllimi me pothuajse asnjë humbje në performancë gjatë 100 cikleve të testimit. Në të kundërt, katoda NMC e përbërë nga kristale 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 atomet e oksigjenit kur bateria ngarkohet 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 reduktim 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 të avancuar drite në Laboratorin Kombëtar të Departamentit të Energjisë të SHBA-së, Lawrence Berkeley konfirmojnë këtë përfundim.
"Tani ne kemi udhëzime që prodhuesit e baterive mund t'i përdorin për të bërë materiale katodike që nuk kanë kufij dhe funksionojnë në 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 katodike të ndryshme nga NMC."
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, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du dhe Zonghai Chen. 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 Nanomaterialet Qendra për Nanomaterialet, një nga pesë qendrat kërkimore të nanoteknologjisë së Departamentit të Energjisë të SHBA-së, është institucioni kryesor i përdoruesit kombëtar për kërkimin ndërdisiplinor në shkallë nano, i mbështetur nga Zyra e Shkencës e Departamentit të Energjisë të SHBA-së. Së bashku, NSRC-të formojnë një sërë objektesh plotësuese që u ofrojnë kërkuesve aftësi më të fundit për fabrikimin, përpunimin, karakterizimin dhe modelimin e materialeve në shkallë nano dhe përfaqësojnë investimin më të madh në infrastrukturë nën Iniciativën 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/​Us​er​-​Fa​c​i​lit​​ie​s​/Us er-FacIlitiee-s-a-a-Glance.
Burimi i avancuar i fotonit (APS) i Departamentit të Energjisë së SHBA 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 lëndës së kondensuar, shkencat e jetës dhe mjedisit dhe kërkimin e aplikuar. Këto rreze X janë ideale për studimin e materialeve dhe strukturave biologjike, shpërndarjen e elementeve, gjendjeve kimike, magnetike dhe elektronike, si dhe sisteme inxhinierike të rëndësishme teknikisht të të gjitha llojeve, nga bateritë deri te grykat e injektorëve të karburantit, të cilat janë jetike për ekonominë tonë kombëtare, teknologjinë. . dhe trupi 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 struktura më të rëndësishme të proteinave biologjike sesa përdoruesit e çdo qendre tjetër kërkimore me rreze 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 shndritshme të çmuara nga studiuesit, lente që fokusojnë rrezet X deri në disa nanometra, instrumente që maksimizojnë mënyrën se si rrezet X ndërveprojnë me kampionin në studim dhe mbledhjen dhe menaxhimin e zbulimeve të APS Hulumtimi gjeneron vëllime të mëdha të dhënash.
Ky studim përdori burime nga Advanced Photon Source, një Qendër e Përdoruesit e Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë së SHBA-së, e operuar nga Laboratori Kombëtar Argonne për Zyrën e Shkencës të Departamentit të Energjisë së SHBA-së me numrin e 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 themelore dhe të aplikuara të fundit 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.
Zyra e Shkencës e Departamentit Amerikan të Energjisë është përkrahësi më i madh i vendit i kërkimit bazë në shkencat fizike, duke punuar për të adresuar disa nga çështjet më të ngutshme të kohës sonë. Për më shumë informacion, vizitoni https://energy.gov/​science​ience.