ABD Enerji Bakanlığı'na (DOE) bağlı Argonne Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları, lityum iyon piller alanında öncü keşiflerde uzun bir geçmişe sahiptir. Bu sonuçların çoğu, NMC adı verilen pil katodu, nikel manganez ve kobalt oksit ile ilgilidir. Bu katoda sahip bir pil şu anda Chevrolet Bolt'a güç vermektedir.
Argonne araştırmacıları, NMC katotlarında yeni bir çığır açtı. Ekibin yeni minik katot parçacık yapısı, bataryayı daha dayanıklı ve güvenli hale getirebilir, çok yüksek voltajlarda çalışabilir ve daha uzun menziller sağlayabilir.
Argonne Emeritus Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin yüksek basınçlı, sınırsız katot malzemeleri üretmek için kullanabilecekleri bir rehberliğe sahibiz." dedi.
Yardımcı kimyager Guiliang Xu, "Mevcut NMC katotları, yüksek voltajlı çalışmalar için büyük bir engel teşkil ediyor," dedi. Şarj-deşarj döngüsüyle, katot parçacıklarında çatlakların oluşması nedeniyle performans hızla düşüyor. Pil araştırmacıları onlarca yıldır bu çatlakları onarmanın yollarını arıyor.
Geçmişte kullanılan bir yöntem, çok daha küçük parçacıklardan oluşan minik küresel parçacıklar kullanıyordu. Büyük küresel parçacıklar, çeşitli yönelimlere sahip kristal alanlara sahip polikristalin parçacıklardır. Sonuç olarak, parçacıklar arasında bilim insanlarının tanecik sınırları adını verdiği ve pilin bir döngü sırasında çatlamasına neden olabilen bir yapı bulunur. Bunu önlemek için Xu ve Argonne'nin meslektaşları, daha önce her parçacığın etrafında koruyucu bir polimer kaplama geliştirmişlerdi. Bu kaplama, büyük küresel parçacıkları ve içlerindeki daha küçük parçacıkları çevreler.
Bu tür çatlamaları önlemenin bir başka yolu da tek kristal parçacıklar kullanmaktır. Bu parçacıkların elektron mikroskobu, sınırlarının olmadığını göstermiştir.
Ekip için sorun, kaplamalı polikristallerden ve tek kristallerden yapılmış katotların döngü sırasında çatlamaya devam etmesiydi. Bu nedenle, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Argonne Bilim Merkezi bünyesindeki Gelişmiş Foton Kaynağı (APS) ve Nanomalzemeler Merkezi'nde (CNM) bu katot malzemelerinin kapsamlı analizlerini gerçekleştirdiler.
Beş APS kolunda (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ve 34-ID-E) çeşitli X-ışını analizleri gerçekleştirildi. Elektron ve X-ışını mikroskopisiyle gösterildiği gibi, bilim insanlarının tek kristal olduğunu düşündükleri şeyin aslında içinde bir sınır olduğu ortaya çıktı. CNMLerin taramalı ve transmisyon elektron mikroskobu bu sonucu doğruladı.
Fizikçi Wenjun Liu, "Bu parçacıkların yüzey morfolojisine baktığımızda tek kristallere benziyorlardı" 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 kırınımı mikroskobu adı verilen bir teknik ve diğer teknikleri kullandığımızda, sınırların içeride gizli olduğunu bulduk.”
Daha da önemlisi, ekip, sınırları olmayan tek kristaller üretmek için bir yöntem geliştirdi. Bu tek kristal katotlu küçük hücreleri çok yüksek voltajlarda test etmek, 100 test döngüsü boyunca neredeyse hiç performans kaybı olmadan birim hacim başına enerji depolamasında %25 artış gösterdi. Buna karşılık, çok arayüzlü tek kristallerden veya kaplamalı polikristallerden oluşan NMC katotları, aynı ömür boyunca %60 ila %88 arasında bir kapasite düşüşü gösterdi.
Atom ölçeğindeki hesaplamalar, katot kapasitansının azalma mekanizmasını ortaya koyuyor. CNM'de nanobilimci olan Maria Chang'a göre, pil şarj edildiğinde sınırların oksijen atomlarını kaybetme olasılığı, onlardan daha uzak bölgelere göre daha yüksektir. Bu oksijen kaybı, hücre döngüsünün bozulmasına yol açar.
Chan, "Hesaplamalarımız, sınırın yüksek basınçta oksijenin salınmasına ve bunun da performansın düşmesine yol açabileceğini gösteriyor" dedi.
Sınırın ortadan kaldırılması oksijen salınımını önleyerek katodun güvenliğini ve döngüsel kararlılığını artırır. ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda APS ve gelişmiş bir ışık kaynağı ile yapılan oksijen salınımı ölçümleri bu sonucu doğrulamaktadır.
Argonne Emeritus Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin, sınırları olmayan ve yüksek basınçta çalışan 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。”“Kılavuzlar 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 nanoölçekli araştırmalar için önde gelen ulusal kullanıcı kurumudur. NSRC'ler, araştırmacılara nanoölçekli malzemelerin üretimi, işlenmesi, karakterizasyonu ve modellemesi için en son teknolojiyi sunan ve Ulusal Nanoteknoloji Girişimi kapsamındaki en büyük altyapı yatırımını temsil eden bir dizi tamamlayıcı tesis oluşturur. NSRC, Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia ve Los Alamos'taki ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Laboratuvarları'nda bulunmaktadır. NSRC DOE hakkında daha fazla bilgi için 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 adresini ziyaret edin.
ABD Enerji Bakanlığı'nın 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 ile uygulamalı araştırma alanlarındaki çeşitli araştırma topluluklarına 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 ulusal ekonomimiz, teknolojimiz ve sağlığımız için hayati önem taşıyan her türlü teknik açıdan önemli mühendislik sistemlerini incelemek için idealdir. Her yıl 5.000'den fazla araştırmacı, önemli keşifleri ayrıntılarıyla anlatan ve diğer tüm X-ışını araştırma merkezlerinin kullanıcılarından daha önemli biyolojik protein yapılarını çözen 2.000'den fazla yayın yayınlamak için APS'yi kullanmaktadır. APS bilim insanları ve mühendisleri, hızlandırıcıların ve ışık kaynaklarının performansını iyileştirmenin temelini oluşturan yenilikçi teknolojileri uygulamaktadır. Bunlara araştırmacılar tarafından çok beğenilen son derece parlak X ışınları üreten girdi aygıtları, X ışınlarını birkaç nanometreye kadar odaklayan mercekler, X ışınlarının incelenen numuneyle etkileşimini en üst düzeye çıkaran aletler ve APS keşiflerinin toplanması ve yönetimi dahildir. Araştırma, çok büyük veri hacimleri oluşturur.
Bu çalışmada, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi adına Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından işletilen ve sözleşme numarası DE-AC02-06CH11357 olan ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Kullanıcı Merkezi Advanced Photon Source'dan kaynaklar kullanıldı.
Argonne Ulusal Laboratuvarı, yerel bilim ve teknolojinin acil sorunlarını çözmeyi amaçlamaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk ulusal laboratuvar olan Argonne, hemen hemen her bilim dalında en ileri düzeyde temel ve uygulamalı araştırmalar yürütmektedir. Argonne araştırmacıları, belirli sorunları çözmelerine, ABD'nin bilimsel liderliğini ilerletmelerine ve ülkeyi daha iyi bir geleceğe hazırlamalarına yardımcı olmak için yüzlerce şirket, üniversite ve federal, eyalet ve belediye kurumundan araştırmacılarla yakın bir şekilde çalışmaktadır. 60'tan fazla ülkeden çalışanı bulunan Argonne, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi'ne bağlı UChicago Argonne, LLC tarafından işletilmektedir.
ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi, fizik bilimlerinde temel araştırmaların en büyük savunucusu olup, günümüzün en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için https://energy.gov/science.ience adresini ziyaret edin.