Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) memiliki sejarah panjang penemuan perintis di bidang baterai lithium-ion. Banyak dari hasil ini untuk katoda baterai, yang disebut NMC, nikel mangan dan kobalt oksida. Baterai dengan katoda ini sekarang menggerakkan baut Chevrolet.
Peneliti Argonne telah mencapai terobosan lain di katoda NMC. Struktur partikel katoda kecil baru tim dapat membuat baterai lebih tahan lama dan lebih aman, mampu beroperasi pada tegangan yang sangat tinggi dan memberikan rentang perjalanan yang lebih lama.
“Kami sekarang memiliki bimbingan yang dapat digunakan produsen baterai untuk membuat bahan katoda bertekanan tinggi dan tanpa batas,” Khalil Amin, Argonne sesama emeritus.
"Katoda NMC yang ada menghadirkan rintangan besar untuk pekerjaan tegangan tinggi," kata asisten ahli kimia Guiliang Xu. Dengan siklus pengisian daya, kinerja turun dengan cepat karena pembentukan retakan pada partikel katoda. Selama beberapa dekade, peneliti baterai telah mencari cara untuk memperbaiki retakan ini.
Salah satu metode di masa lalu menggunakan partikel bola kecil yang terdiri dari banyak partikel yang jauh lebih kecil. Partikel bola besar adalah polikristalin, dengan domain kristal dari berbagai orientasi. Akibatnya, mereka memiliki apa yang oleh para ilmuwan menyebut batas butir antara partikel, yang dapat menyebabkan baterai retak selama siklus. Untuk mencegah hal ini, rekan -rekan Xu dan Argonne sebelumnya telah mengembangkan lapisan polimer pelindung di sekitar masing -masing partikel. Lapisan ini mengelilingi partikel bola besar dan partikel yang lebih kecil di dalamnya.
Cara lain untuk menghindari jenis retak ini adalah dengan menggunakan partikel kristal tunggal. Mikroskop elektron dari partikel -partikel ini menunjukkan bahwa mereka tidak memiliki batas.
Masalah untuk tim adalah bahwa katoda yang terbuat dari polikristal yang dilapisi dan kristal tunggal masih retak selama bersepeda. Oleh karena itu, mereka melakukan analisis ekstensif dari bahan -bahan katoda ini di Advanced Photon Source (APS) dan Center for Nanomaterials (CNM) di Pusat Sains Argonne Departemen Energi AS.
Berbagai analisis x-ray dilakukan pada lima lengan APS (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C dan 34-ID-E). Ternyata apa yang menurut para ilmuwan adalah kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh elektron dan mikroskop x-ray, sebenarnya memiliki batas di dalamnya. Pemindaian dan transmisi mikroskop elektron CNM mengkonfirmasi kesimpulan ini.
"Ketika kami melihat morfologi permukaan partikel -partikel ini, mereka tampak seperti kristal tunggal," kata fisikawan Wenjun Liu. � <“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。” � <“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。” ”"Namun, ketika kami menggunakan teknik yang disebut Synchrotron X-Ray Difraction Microscopy dan teknik lain di APS, kami menemukan bahwa batas-batas tersembunyi di dalam."
Yang penting, tim telah mengembangkan metode untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa batas. Menguji sel-sel kecil dengan katoda kristal tunggal ini pada tegangan yang sangat tinggi menunjukkan peningkatan 25% penyimpanan energi per unit volume dengan hampir tidak ada kerugian dalam kinerja lebih dari 100 siklus uji. Sebaliknya, katoda NMC yang terdiri dari kristal tunggal multi-antarmuka atau polikristal yang dilapisi menunjukkan penurunan kapasitas 60% menjadi 88% selama masa hidup yang sama.
Perhitungan skala atom mengungkapkan mekanisme pengurangan kapasitansi katoda. Menurut Maria Chang, seorang nanoscientist di CNM, batas lebih mungkin kehilangan atom oksigen ketika baterai dibebankan daripada daerah yang lebih jauh dari mereka. Hilangnya oksigen ini menyebabkan degradasi siklus sel.
"Perhitungan kami menunjukkan bagaimana batas dapat menyebabkan oksigen dilepaskan pada tekanan tinggi, yang dapat menyebabkan berkurangnya kinerja," kata Chan.
Menghilangkan batas mencegah evolusi oksigen, sehingga meningkatkan keamanan dan stabilitas siklik katoda. Pengukuran evolusi oksigen dengan AP dan sumber cahaya canggih di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Departemen Energi AS mengkonfirmasi kesimpulan ini.
"Sekarang kami memiliki pedoman yang dapat digunakan produsen baterai untuk membuat bahan katoda yang tidak memiliki batas dan beroperasi pada tekanan tinggi," kata Khalil Amin, sesama emeritus Argonne. � <“该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。” � <“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 dalam jurnal Nature Energy. Selain Xu, Amin, Liu dan Chang, para penulis Argonne adalah Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing, Duali Duali, Wenqian, Junjing, Duali Duali, Wenqian, Junjing Duali, Junjing Duali, Junjing, Inhi. Zonghai Chen. Para ilmuwan dari Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian LI, dan Zengqing Zhuo), Universitas Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang dan Syiah Sun) dan Universitas Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng dan Mingao Ouyang).
Tentang Pusat Argonne untuk Nanomaterial Pusat Nanomaterials, satu dari lima pusat penelitian Nanoteknologi Departemen Energi AS, adalah Lembaga Pengguna Nasional utama untuk penelitian skala nano interdisipliner yang didukung oleh Departemen Sains Departemen Energi AS. Bersama-sama, NSRC membentuk serangkaian fasilitas komplementer yang memberikan kemampuan canggih bagi para peneliti untuk membuat, memproses, mengkarakterisasi, dan memodelkan bahan skala nano dan mewakili investasi infrastruktur terbesar di bawah Inisiatif Nanoteknologi Nasional. NSRC terletak di Laboratorium Nasional Departemen Energi AS di Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, dan Los Alamos. Untuk informasi lebih lanjut tentang DOE NSRC, kunjungi https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie s-at-sekilas.
Sumber Foton Lanjutan Departemen Energi AS (APS) di Argonne National Laboratory adalah salah satu sumber sinar-X paling produktif di dunia. APS menyediakan rontgen intensitas tinggi untuk komunitas riset yang beragam dalam ilmu material, kimia, fisika materi terkondensasi, ilmu kehidupan dan lingkungan, dan penelitian terapan. Sinar-X ini sangat ideal untuk mempelajari bahan dan struktur biologis, distribusi elemen, kimia, status magnetik dan elektronik, dan sistem rekayasa penting secara teknis dari semua jenis, dari baterai hingga nozel injektor bahan bakar, yang sangat penting bagi ekonomi nasional kita, teknologi. dan tubuh dasar kesehatan. Setiap tahun, lebih dari 5.000 peneliti menggunakan AP untuk menerbitkan lebih dari 2.000 publikasi yang merinci penemuan penting dan menyelesaikan struktur protein biologis yang lebih penting daripada pengguna pusat penelitian sinar-X lainnya. Ilmuwan dan insinyur APS menerapkan teknologi inovatif yang merupakan dasar untuk meningkatkan kinerja akselerator dan sumber cahaya. Ini termasuk perangkat input yang menghasilkan sinar-X yang sangat cerah dihargai oleh para peneliti, lensa yang memfokuskan sinar-X hingga beberapa nanometer, instrumen yang memaksimalkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang diteliti, dan pengumpulan dan pengelolaan penemuan penemuan APS menghasilkan volume data yang sangat besar.
Studi ini menggunakan sumber daya dari Advanced Photon Source, Departemen Kantor Energi AS Pusat Pengguna Sains yang dioperasikan oleh Argonne National Laboratory untuk Departemen Energi AS Sains di bawah Nomor Kontrak DE-AC02-06CH11357.
Laboratorium Nasional Argonne berusaha untuk menyelesaikan masalah mendesak sains dan teknologi dalam negeri. Sebagai laboratorium nasional pertama di Amerika Serikat, Argonne melakukan penelitian dasar mutakhir dan terapan dalam hampir setiap disiplin ilmiah. Peneliti Argonne bekerja sama dengan para peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan lembaga federal, negara bagian, dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah tertentu, 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 penelitian dasar terbesar di negara ini dalam ilmu fisika, bekerja untuk mengatasi beberapa masalah paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https: // energi .gov/sains ience.