Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) memiliki sejarah panjang dalam merintis penemuan di bidang baterai litium-ion.Banyak dari hasil ini ditujukan untuk katoda baterai, yang disebut NMC, nikel mangan, dan kobalt oksida.Baterai dengan katoda ini sekarang memberi daya pada Chevrolet Bolt.
Peneliti Argonne telah mencapai terobosan lain 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 sangat tinggi dan memberikan jangkauan perjalanan yang lebih jauh.
“Kami sekarang memiliki panduan yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat bahan katoda bertekanan tinggi dan tanpa batas,” Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Katoda NMC yang ada menghadirkan rintangan besar untuk pekerjaan tegangan tinggi,” kata asisten ahli kimia Guiliang Xu.Dengan perputaran muatan-pengosongan, kinerja turun dengan cepat karena terbentuknya 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 berbentuk polikristalin, dengan domain kristal dengan berbagai orientasi.Akibatnya, mereka memiliki apa yang para ilmuwan sebut sebagai batas butir antar partikel, yang dapat menyebabkan baterai retak selama satu siklus.Untuk mencegah hal ini, rekan Xu dan Argonne sebelumnya telah mengembangkan lapisan polimer pelindung di sekitar setiap partikel.Lapisan ini mengelilingi partikel bulat besar dan partikel kecil di dalamnya.
Cara lain untuk menghindari keretakan semacam ini adalah dengan menggunakan partikel kristal tunggal.Mikroskop elektron terhadap partikel-partikel ini menunjukkan bahwa mereka tidak memiliki batas.
Masalah yang dihadapi tim adalah katoda yang terbuat dari polikristal berlapis dan kristal tunggal masih retak selama siklus.Oleh karena itu, mereka melakukan analisis ekstensif terhadap bahan katoda ini di Advanced Photon Source (APS) dan Center for Nanomaterials (CNM) di Argonne Science Center Departemen Energi AS.
Berbagai analisis x-ray dilakukan pada lima kelompok 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.Pemindaian dan transmisi mikroskop elektron CNM mengkonfirmasi kesimpulan ini.
“Saat kami melihat morfologi permukaan partikel-partikel ini, mereka tampak seperti kristal tunggal,” kata fisikawan Wenjun Liu. –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 技术 和 其他 时 , 我们 发现 边界 隐藏 在。”“Namun, ketika kami menggunakan teknik yang disebut mikroskop difraksi sinar-X sinkrotron dan teknik lain di APS, kami menemukan bahwa batas-batas tersebut tersembunyi di dalamnya.”
Yang penting, tim telah mengembangkan metode untuk menghasilkan kristal tunggal tanpa batas.Pengujian sel kecil dengan katoda kristal tunggal pada tegangan sangat tinggi menunjukkan peningkatan penyimpanan energi sebesar 25% per unit volume tanpa kehilangan 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% pada masa pakai yang sama.
Perhitungan skala atom mengungkap mekanisme pengurangan kapasitansi katoda.Menurut Maria Chang, seorang ilmuwan nano di CNM, daerah perbatasan lebih mungkin kehilangan atom oksigen saat baterai diisi dibandingkan daerah yang jauh darinya.Hilangnya oksigen ini menyebabkan degradasi siklus sel.
“Perhitungan kami menunjukkan bagaimana batas tersebut dapat menyebabkan pelepasan oksigen pada tekanan tinggi, yang dapat menyebabkan penurunan kinerja,” kata Chan.
Menghilangkan batas akan mencegah evolusi oksigen, sehingga meningkatkan keamanan dan stabilitas siklik katoda.Pengukuran evolusi oksigen dengan APS dan sumber cahaya canggih di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley milik Departemen Energi AS mengkonfirmasi kesimpulan ini.
“Sekarang kami memiliki pedoman yang dapat digunakan oleh produsen baterai untuk membuat bahan katoda yang tidak memiliki batas 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 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 Bahan Nano Argonne Pusat Bahan Nano, salah satu dari lima pusat penelitian nanoteknologi Departemen Energi AS, adalah lembaga pengguna nasional utama untuk penelitian skala nano interdisipliner yang didukung oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS.Bersama-sama, NSRC membentuk serangkaian fasilitas pelengkap yang memberikan para peneliti kemampuan tercanggih untuk membuat, memproses, mengkarakterisasi, dan memodelkan material berskala 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/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us er​-​F​a​c​i​l​itu​yaitu​s​-​Sekilas.
Sumber Foton Lanjutan (APS) Departemen Energi AS di Laboratorium Nasional Argonne adalah salah satu sumber sinar-X paling produktif di dunia.APS menyediakan sinar-X intensitas tinggi kepada komunitas penelitian yang beragam di bidang ilmu material, kimia, fisika benda terkondensasi, ilmu kehidupan dan lingkungan, serta penelitian terapan.Sinar-X ini ideal untuk mempelajari material dan struktur biologis, distribusi unsur, keadaan kimia, magnet, dan elektronik, serta segala jenis sistem rekayasa yang penting secara teknis, mulai dari baterai hingga nozel injektor bahan bakar, yang sangat penting bagi perekonomian nasional kita, teknologi. .dan tubuh 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 dibandingkan pengguna pusat penelitian sinar-X lainnya.Ilmuwan dan insinyur APS menerapkan teknologi inovatif yang menjadi dasar untuk meningkatkan kinerja akselerator dan sumber cahaya.Hal ini mencakup perangkat input yang menghasilkan sinar-X yang 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 diteliti, serta pengumpulan dan pengelolaan penemuan APS. Penelitian menghasilkan volume data yang sangat besar.
Studi ini memanfaatkan sumber daya dari Advanced Photon Source, Pusat Pengguna Sains Kantor Departemen Energi AS yang dioperasikan oleh Laboratorium Nasional Argonne untuk Kantor Sains Departemen Energi AS dengan nomor kontrak DE-AC02-06CH11357.
Laboratorium Nasional Argonne berupaya memecahkan masalah mendesak ilmu pengetahuan dan teknologi dalam negeri.Sebagai laboratorium nasional pertama di Amerika Serikat, Argonne melakukan penelitian dasar dan terapan mutakhir di hampir semua disiplin ilmu.Peneliti Argonne bekerja sama dengan peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan lembaga federal, negara bagian, dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah tertentu, memajukan kepemimpinan ilmiah Amerika, 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 Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika, yang berupaya mengatasi beberapa masalah paling mendesak di zaman kita.Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://​energy​.gov/​science​ience.