ABD Enerji Bakanlığı'na (DOE) bağlı Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, lityum iyon piller alanında uzun bir öncü keşif geçmişine sahiptir. Bu sonuçların çoğu, NMC (nikel manganez ve kobalt oksit) adı verilen pil katodu ile ilgilidir. Bu katoda sahip bir pil şu anda Chevrolet Bolt'a güç sağlamaktadır.
Argonne araştırmacıları NMC katotlarında bir atılım daha gerçekleştirdi. Ekibin yeni, küçük katot parçacık yapısı, pili daha dayanıklı ve güvenli hale getirebilir, çok yüksek voltajlarda çalışmasını sağlayabilir ve daha uzun menzilli kullanım imkanı sunabilir.
Argonne Onursal Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin yüksek basınçlı, sınırsız katot malzemeleri üretmek için kullanabileceği bir kılavuzumuz var" dedi.
Yardımcı kimyager Guiliang Xu, "Mevcut NMC katotları yüksek voltajlı çalışmalar için büyük bir engel teşkil ediyor" dedi. Şarj-deşarj döngüsüyle birlikte, katot parçacıklarında çatlakların oluşması nedeniyle performans hızla düşüyor. On yıllardır pil araştırmacıları bu çatlakları onarmanın yollarını arıyor.
Geçmişte kullanılan yöntemlerden biri, çok daha küçük birçok parçacıktan oluşan minik küresel parçacıklardı. Büyük küresel parçacıklar polikristal yapıdadır ve çeşitli yönelimlere sahip kristal alanları içerir. Sonuç olarak, bilim insanlarının parçacıklar arasında tane sınırları olarak adlandırdığı yapılar bulunur ve bu da pilin bir döngü sırasında çatlamasına neden olabilir. Bunu önlemek için Xu ve Argonne'daki meslektaşları daha önce her bir parçacığın etrafına koruyucu bir polimer kaplama geliştirmişti. Bu kaplama, büyük küresel parçacıkları ve içlerindeki daha küçük parçacıkları çevreler.
Bu tür çatlamayı önlemenin bir başka yolu da tek kristal parçacıklar kullanmaktır. Bu parçacıkların elektron mikroskobuyla incelenmesi, bunların herhangi bir sınıra sahip olmadığını göstermiştir.
Ekibin karşılaştığı sorun, kaplanmış polikristallerden ve tek kristallerden yapılan katotların döngü sırasında hala çatlamasıydı. Bu nedenle, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Argonne Bilim Merkezi'ndeki Gelişmiş Foton Kaynağı (APS) ve Nanomalzemeler Merkezi'nde (CNM) bu katot malzemeleri üzerinde kapsamlı analizler yaptılar.
Beş APS kolu (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ve 34-ID-E) üzerinde çeşitli X-ışını analizleri gerçekleştirildi. Bilim insanlarının elektron ve X-ışını mikroskobuyla tek kristal olarak düşündükleri yapının aslında içinde bir sınır olduğu ortaya çıktı. CNM'lerin taramalı ve geçirimli elektron mikroskobu da bu sonucu doğruladı.
Fizikçi Wenjun Liu, "Bu parçacıkların yüzey morfolojisine baktığımızda, tek kristal gibi göründüklerini fark ettik," dedi. 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和其他技术时,我们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 技术 和 其他 时 ，我们 发现 边界 隐藏 在。”"Ancak, APS'de senkrotron X-ışını kırınım mikroskobu ve diğer teknikleri kullandığımızda, sınırların içeride gizli olduğunu keşfettik."
Daha da önemlisi, ekip sınırsız tek kristal üretme yöntemi geliştirdi. Bu tek kristalli katotlu küçük hücrelerin çok yüksek voltajlarda test edilmesi, 100 test döngüsü boyunca performansta neredeyse hiç kayıp olmadan birim hacim başına enerji depolamada %25'lik bir artış gösterdi. Buna karşılık, çok arayüzlü tek kristallerden veya kaplanmış polikristallerden oluşan NMC katotları, aynı kullanım ömrü boyunca %60 ila %88 arasında kapasite düşüşü gösterdi.
Atomik ölçekteki hesaplamalar, katot kapasitansındaki azalmanın mekanizmasını ortaya koyuyor. CNM'de nanobilimci olan Maria Chang'e göre, pil şarj edildiğinde sınır bölgelerinin, onlardan daha uzaktaki bölgelere göre oksijen atomlarını kaybetme olasılığı daha yüksektir. Bu oksijen kaybı, hücre döngüsünün bozulmasına yol açar.
Chan, "Hesaplamalarımız, sınır bölgesinin yüksek basınçta oksijen salınımına yol açabileceğini ve bunun da performans düşüşüne neden olabileceğini gösteriyor," dedi.
Sınırın ortadan kaldırılması oksijen oluşumunu engeller ve böylece katodun güvenliğini ve döngüsel kararlılığını artırır. ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda APS ve gelişmiş bir ışık kaynağı ile yapılan oksijen oluşumu ölçümleri bu sonucu doğrulamaktadır.
Argonne Onursal Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin sınırları olmayan ve yüksek basınçta çalışabilen katot malzemeleri üretmek için kullanabilecekleri kılavuzlarımız var" dedi. 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。”"Bu yönergeler, NMC dışındaki katot malzemeleri için de geçerli olmalıdır."
Bu çalışmayla ilgili bir makale Nature Energy dergisinde yayınlandı. Argonne yazarları Xu, Amin, Liu ve Chang'a ek olarak 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 ve Zonghai Chen'dir. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndan (Wanli Yang, Qingtian Li ve Zengqing Zhuo), Xiamen Üniversitesi'nden (Jing-Jing Fan, Ling Huang ve Shi-Gang Sun) ve Tsinghua Üniversitesi'nden (Dongsheng Ren, Xuning Feng ve Mingao Ouyang) bilim adamları.
Argonne Nanomalzemeler Merkezi Hakkında ABD Enerji Bakanlığı'nın beş nanoteknoloji araştırma merkezinden biri olan Nanomalzemeler Merkezi, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklenen disiplinlerarası nanoteknoloji araştırmaları için önde gelen ulusal kullanıcı kurumudur. NSRC'ler birlikte, araştırmacılara nanoteknoloji malzemelerinin üretimi, işlenmesi, karakterizasyonu ve modellenmesi için en son teknolojiye sahip olanaklar sağlayan ve Ulusal Nanoteknoloji Girişimi kapsamındaki en büyük altyapı yatırımını temsil eden tamamlayıcı tesisler paketini oluşturmaktadır. NSRC, ABD Enerji Bakanlığı'nın Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ve Los Alamos'taki Ulusal Laboratuvarlarında yer almaktadır. NSRC DOE hakkında daha fazla bilgi için https://science.osti.gov/User-Facilityes/User-Facilityes-at-aGlance adresini ziyaret edin.
ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki Gelişmiş Foton Kaynağı (APS), dünyanın en verimli X-ışını kaynaklarından biridir. APS, malzeme bilimi, kimya, yoğun madde fiziği, yaşam ve çevre bilimleri ve uygulamalı araştırmalar alanlarında çeşitli bir araştırma topluluğuna yüksek yoğunluklu X-ışınları sağlar. Bu X-ışınları, malzemeleri ve biyolojik yapıları, elementlerin dağılımını, kimyasal, manyetik ve elektronik durumları ve pillerden yakıt enjektör nozullarına kadar her türlü teknik açıdan önemli mühendislik sistemlerini incelemek için idealdir; bunlar ulusal ekonomimiz, teknolojimiz ve vücut sağlığımızın temeli için hayati öneme sahiptir. Her yıl 5.000'den fazla araştırmacı, APS'yi kullanarak önemli keşifleri detaylandıran ve diğer herhangi bir X-ışını araştırma merkezinin kullanıcılarından daha fazla önemli biyolojik protein yapısını çözen 2.000'den fazla yayın yapmaktadır. APS bilim insanları ve mühendisleri, hızlandırıcıların ve ışık kaynaklarının performansını iyileştirmenin temelini oluşturan yenilikçi teknolojileri uygulamaktadır. Bu, araştırmacılar tarafından çok değerli kabul edilen son derece parlak X ışınları üreten giriş cihazlarını, X ışınlarını birkaç nanometreye kadar odaklayan lensleri, X ışınlarının incelenen örnekle etkileşimini en üst düzeye çıkaran aletleri ve APS keşiflerinin toplanmasını ve yönetimini içerir. Araştırma, çok büyük veri hacimleri üretir.
Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Kullanıcı Merkezi olan ve Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi için DE-AC02-06CH11357 sözleşme numarası altında işletilen Gelişmiş Foton Kaynağı'nın kaynaklarını kullanmıştır.
Argonne Ulusal Laboratuvarı, yerli bilim ve teknolojinin acil sorunlarını çözmeye çalışmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk ulusal laboratuvar olarak Argonne, neredeyse her bilimsel disiplinde en ileri düzeyde temel ve uygulamalı araştırmalar yürütmektedir. Argonne araştırmacıları, yüzlerce şirket, üniversite ve federal, eyalet ve belediye kurumundan araştırmacılarla yakın işbirliği yaparak, belirli sorunları çözmelerine, ABD'nin bilimsel liderliğini ilerletmelerine ve ülkeyi daha iyi bir geleceğe hazırlamalarına yardımcı olmaktadır. Argonne, 60'tan fazla ülkeden çalışanı istihdam etmekte ve ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi'ne bağlı UChicago Argonne, LLC tarafından işletilmektedir.
ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi, fizik bilimlerinde temel araştırmaların ülkedeki en büyük destekçisidir ve çağımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için https://energy.gov/science.ience adresini ziyaret edin.