Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne, Departemen Energi AS (DOE), memiliki sejarah panjang dalam penemuan-penemuan perintis di bidang baterai litium-ion. Banyak dari temuan ini berkaitan dengan katoda baterai, yang disebut NMC, nikel mangan, dan kobalt oksida. Baterai dengan katoda ini kini menjadi sumber tenaga bagi Chevrolet Bolt.
Para peneliti Argonne telah mencapai terobosan baru dalam katoda NMC. Struktur partikel katoda kecil yang baru dari tim ini dapat membuat baterai lebih tahan lama dan lebih aman, mampu beroperasi pada tegangan yang sangat tinggi, dan memberikan jangkauan yang lebih jauh.
“Kami sekarang memiliki panduan yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat material katoda bertekanan tinggi dan tanpa batas,” ujar Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Katoda NMC yang ada menghadirkan kendala besar untuk pekerjaan bertegangan tinggi," kata asisten ahli kimia Guiliang Xu. Dengan siklus pengisian-pengosongan, kinerja menurun drastis akibat terbentuknya retakan pada partikel katoda. Selama beberapa dekade, para peneliti baterai telah mencari cara untuk memperbaiki retakan ini.
Salah satu metode di masa lalu menggunakan partikel bulat kecil yang terdiri dari banyak partikel yang jauh lebih kecil. Partikel bulat besar bersifat polikristalin, dengan domain kristal dengan berbagai orientasi. Akibatnya, terdapat apa yang disebut para ilmuwan sebagai batas butiran antar partikel, yang dapat menyebabkan baterai retak selama siklus. Untuk mencegah hal ini, rekan-rekan Xu dan Argonne sebelumnya telah mengembangkan lapisan polimer pelindung di sekeliling setiap partikel. Lapisan ini membungkus partikel bulat besar dan partikel yang lebih kecil di dalamnya.
Cara lain untuk menghindari retakan semacam ini adalah dengan menggunakan partikel kristal tunggal. Mikroskop elektron pada partikel-partikel ini menunjukkan bahwa mereka tidak memiliki batas.
Masalah bagi tim adalah katoda yang terbuat dari polikristal berlapis dan kristal tunggal masih retak selama siklus. Oleh karena itu, mereka melakukan analisis ekstensif terhadap material katoda ini di Advanced Photon Source (APS) dan Center for Nanomaterials (CNM) di Argonne Science Center, Departemen Energi AS.
Berbagai analisis sinar-X dilakukan pada lima lengan APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C, dan 34-ID-E). Ternyata, apa yang para ilmuwan anggap sebagai kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh mikroskop elektron dan sinar-X, sebenarnya memiliki batas di dalamnya. Mikroskop elektron pemindaian dan transmisi CNM mengonfirmasi kesimpulan ini.
“Ketika kami mengamati morfologi permukaan partikel-partikel ini, mereka tampak seperti kristal tunggal,” kata fisikawan Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X ” 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 时 ,我们 发现 边界 隐藏 在。”“Namun, ketika kami menggunakan teknik yang disebut mikroskopi difraksi sinar-X sinkrotron dan teknik lainnya di APS, kami menemukan bahwa batas-batasnya tersembunyi di dalam.”
Yang terpenting, tim telah mengembangkan metode untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa batas. Pengujian sel kecil dengan katoda kristal tunggal ini pada tegangan sangat tinggi menunjukkan peningkatan penyimpanan energi sebesar 25% per satuan volume tanpa penurunan kinerja selama 100 siklus pengujian. Sebaliknya, katoda NMC yang terdiri dari kristal tunggal multi-antarmuka atau polikristal berlapis menunjukkan penurunan kapasitas sebesar 60% hingga 88% selama masa pakai yang sama.
Perhitungan skala atom mengungkap mekanisme reduksi kapasitansi katoda. Menurut Maria Chang, seorang nanosains di CNM, batas sel lebih mungkin kehilangan atom oksigen saat baterai diisi daya dibandingkan area yang lebih jauh darinya. Kehilangan oksigen ini menyebabkan degradasi siklus sel.
“Perhitungan kami menunjukkan bagaimana batas tersebut dapat menyebabkan oksigen dilepaskan pada tekanan tinggi, yang dapat mengakibatkan penurunan kinerja,” kata Chan.
Menghilangkan batas tersebut mencegah evolusi oksigen, sehingga meningkatkan keamanan dan stabilitas siklus katode. Pengukuran evolusi oksigen dengan APS dan sumber cahaya canggih di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley, Departemen Energi AS, mengonfirmasi kesimpulan ini.
“Sekarang kami memiliki pedoman yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat material katoda tanpa batas dan beroperasi pada tekanan tinggi,” ujar 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。”“Pedoman harus berlaku untuk bahan katoda selain NMC.”
Sebuah artikel tentang penelitian ini muncul di jurnal Nature Energy. Selain Xu, Amin, Liu dan Chang, penulis Argonne adalah 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, dan Zonghai Chen. Para ilmuwan dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, dan Zengqing Zhuo), Universitas Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang dan Shi-Gang Sun) dan Universitas Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng dan Mingao Ouyang).
Tentang Pusat Nanomaterial Argonne. Pusat Nanomaterial, salah satu dari lima pusat penelitian nanoteknologi Departemen Energi AS, merupakan institusi pengguna nasional terkemuka untuk penelitian skala nano interdisipliner yang didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi AS. Bersama-sama, NSRC membentuk serangkaian fasilitas pelengkap yang menyediakan kemampuan mutakhir bagi para peneliti untuk fabrikasi, pemrosesan, karakterisasi, dan pemodelan material skala nano, serta merupakan investasi infrastruktur terbesar dalam Inisiatif Nanoteknologi Nasional. NSRC berlokasi di Laboratorium Nasional Departemen Energi AS di Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, dan Los Alamos. Untuk informasi lebih lanjut tentang NSRC DOE, kunjungi https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
Sumber Foton Mutakhir (APS) Departemen Energi AS di Laboratorium Nasional Argonne adalah salah satu sumber sinar-X paling produktif di dunia. APS menyediakan sinar-X intensitas tinggi untuk beragam komunitas riset dalam ilmu material, kimia, fisika benda terkondensasi, ilmu hayati dan lingkungan, serta riset terapan. Sinar-X ini ideal untuk mempelajari material dan struktur biologis, distribusi unsur, keadaan kimia, magnetik, dan elektronik, serta sistem rekayasa penting secara teknis dari semua jenis, mulai dari baterai hingga nozel injektor bahan bakar, yang vital bagi ekonomi, teknologi, dan tubuh nasional kita. Dasar kesehatan. Setiap tahun, lebih dari 5.000 peneliti menggunakan APS untuk menerbitkan lebih dari 2.000 publikasi yang merinci penemuan penting dan memecahkan struktur protein biologis yang lebih penting daripada pengguna pusat riset sinar-X lainnya. Ilmuwan dan insinyur APS menerapkan teknologi inovatif yang menjadi dasar untuk meningkatkan kinerja akselerator dan sumber cahaya. Ini termasuk perangkat masukan yang menghasilkan sinar-X sangat terang yang dihargai oleh para peneliti, lensa yang memfokuskan sinar-X hingga beberapa nanometer, instrumen yang memaksimalkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang sedang dipelajari, dan pengumpulan serta pengelolaan penemuan APS. Penelitian menghasilkan volume data yang sangat besar.
Studi ini memanfaatkan sumber daya dari Advanced Photon Source, Pusat Pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Laboratorium Nasional Argonne untuk Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS berdasarkan nomor kontrak DE-AC02-06CH11357.
Laboratorium Nasional Argonne berupaya memecahkan permasalahan mendesak dalam sains dan teknologi domestik. Sebagai laboratorium nasional pertama di Amerika Serikat, Argonne melakukan penelitian dasar dan terapan mutakhir di hampir setiap disiplin ilmu. Para peneliti Argonne bekerja sama erat dengan peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, serta lembaga federal, negara bagian, dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah spesifik, memajukan kepemimpinan ilmiah AS, dan mempersiapkan bangsa untuk masa depan yang lebih baik. Argonne mempekerjakan karyawan dari lebih dari 60 negara dan dioperasikan oleh UChicago Argonne, LLC dari Kantor Sains Departemen Energi AS.
Kantor Sains Departemen Energi AS adalah pendukung terbesar penelitian dasar di bidang ilmu fisika di negara ini, yang berupaya mengatasi beberapa isu paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi selengkapnya, kunjungi https://​energy​.gov/​science​ience.