Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) memiliki sejarah panjang dalam penemuan-penemuan perintis di bidang baterai lithium-ion. Banyak dari hasil penelitian tersebut berkaitan dengan katoda baterai, yang disebut NMC, yaitu nikel mangan dan kobalt oksida. Baterai dengan katoda ini sekarang digunakan untuk menggerakkan Chevrolet Bolt.
Para peneliti Argonne telah mencapai terobosan lain dalam katoda NMC. Struktur partikel katoda kecil baru yang dikembangkan tim ini dapat membuat baterai lebih tahan lama dan lebih aman, mampu beroperasi pada tegangan yang sangat tinggi, dan memberikan jangkauan perjalanan yang lebih jauh.
“Sekarang kita memiliki panduan yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat material katoda bertekanan tinggi dan tanpa batas,” kata Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Katoda NMC yang ada saat ini menghadirkan hambatan utama untuk pekerjaan tegangan tinggi,” kata asisten ahli kimia Guiliang Xu. Dengan siklus pengisian-pengosongan, kinerja menurun dengan cepat karena pembentukan 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 kristalin yang memiliki berbagai orientasi. Akibatnya, partikel-partikel tersebut memiliki apa yang disebut para ilmuwan sebagai batas butir di antara partikel-partikel, yang dapat menyebabkan baterai retak selama siklus pengisian dan pengosongan. Untuk mencegah hal ini, Xu dan rekan-rekannya di Argonne sebelumnya telah mengembangkan lapisan polimer pelindung di sekitar setiap partikel. Lapisan ini mengelilingi partikel bulat besar dan partikel-partikel yang lebih kecil di dalamnya.
Cara lain untuk menghindari keretakan semacam ini adalah dengan menggunakan partikel kristal tunggal. Mikroskop elektron pada partikel-partikel ini menunjukkan bahwa partikel tersebut tidak memiliki batas.
Masalah bagi tim tersebut adalah katoda yang terbuat dari polikristal berlapis dan kristal tunggal masih retak selama siklus pengisian dan pengosongan. 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 oleh para ilmuwan dianggap sebagai kristal tunggal, seperti yang ditunjukkan oleh mikroskop elektron dan sinar-X, sebenarnya memiliki batas di dalamnya. Mikroskop elektron pemindaian dan transmisi pada CNM mengkonfirmasi kesimpulan ini.
“Ketika kami melihat 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 penting, tim tersebut telah mengembangkan metode untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa batas. Pengujian sel kecil dengan katoda kristal tunggal ini pada tegangan yang sangat tinggi menunjukkan peningkatan penyimpanan energi sebesar 25% per unit volume dengan hampir tidak ada 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 mengungkapkan mekanisme pengurangan kapasitansi katoda. Menurut Maria Chang, seorang ilmuwan nano di CNM, batas-batas lebih mungkin kehilangan atom oksigen saat baterai diisi daya daripada area yang lebih jauh darinya. Hilangnya 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 pelepasan oksigen, sehingga meningkatkan keamanan dan stabilitas siklik katoda. Pengukuran pelepasan oksigen dengan APS dan sumber cahaya canggih di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Departemen Energi AS mengkonfirmasi kesimpulan ini.
“Sekarang kita memiliki pedoman yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat material katoda yang tidak memiliki batasan dan beroperasi pada tekanan tinggi,” kata 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 ini harus berlaku untuk material 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, adalah lembaga pengguna nasional utama 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 membuat, memproses, mengkarakterisasi, dan memodelkan material skala nano dan mewakili investasi infrastruktur terbesar di bawah 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/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.
Advanced Photon Source (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 komunitas penelitian yang beragam di bidang ilmu material, kimia, fisika zat terkondensasi, ilmu hayati dan lingkungan, serta penelitian terapan. Sinar-X ini ideal untuk mempelajari material dan struktur biologis, distribusi unsur, keadaan kimia, magnetik, dan elektronik, serta sistem teknik penting secara teknis dari semua jenis, mulai dari baterai hingga nosel injektor bahan bakar, yang sangat penting bagi perekonomian nasional, teknologi, dan kesehatan tubuh kita. Setiap tahun, lebih dari 5.000 peneliti menggunakan APS untuk menerbitkan lebih dari 2.000 publikasi yang merinci penemuan penting dan memecahkan lebih banyak struktur protein biologis penting daripada pengguna pusat penelitian sinar-X lainnya. Ilmuwan dan insinyur APS menerapkan teknologi inovatif yang menjadi dasar untuk meningkatkan kinerja akselerator dan sumber cahaya. Ini termasuk perangkat input yang menghasilkan sinar-X yang sangat terang yang sangat 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, sebuah Pusat Pengguna Kantor Sains Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Laboratorium Nasional Argonne untuk Kantor Sains Departemen Energi AS di bawah nomor kontrak DE-AC02-06CH11357.
Laboratorium Nasional Argonne berupaya memecahkan masalah-masalah mendesak dalam bidang 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 para peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan lembaga federal, negara bagian, dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah-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 dalam ilmu fisika di negara tersebut, yang berupaya mengatasi beberapa masalah paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://energy.gov/science.