ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, lityum iyon piller alanında uzun bir öncü keşif geçmişine sahiptir. Bu sonuçların çoğu, NMC adı verilen pil katodu, nikel manganez ve kobalt oksit içindir. Bu katotlu bir pil artık Chevrolet Bolt'a güç sağlıyor.
Argonne araştırmacıları NMC katotlarında başka bir buluşa daha imza attılar. Ekibin yeni minik katot parçacık yapısı, pili daha dayanıklı ve daha güvenli hale getirebilir, çok yüksek voltajlarda çalışabilir ve daha uzun seyahat mesafeleri sağlayabilir.
Argonne Onursal Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin yüksek basınçlı, kenarlıksız katot malzemeleri üretmek için kullanabileceği rehberliğe sahibiz" dedi.
Yardımcı kimyager Guiliang Xu, "Mevcut NMC katotları, yüksek voltaj çalışmaları için büyük bir engel teşkil ediyor" dedi. Şarj-deşarj döngüsünde katot parçacıklarında çatlakların oluşması nedeniyle performans hızla düşer. Onlarca yıldır pil araştırmacıları bu çatlakları onarmanın yollarını arıyorlardı.
Geçmişteki bir yöntemde çok daha küçük parçacıklardan oluşan küçük küresel parçacıklar kullanılıyordu. Büyük küresel parçacıklar, çeşitli yönelimlerde kristalin alanlara sahip, çok kristallidir. Sonuç olarak, bilim adamlarının parçacıklar arasında tanecik sınırları dediği şeye sahipler ve bu da pilin bir döngü sırasında çatlamasına neden olabilir. Bunu önlemek için Xu ve Argonne'un meslektaşları daha önce her parçacığın etrafında koruyucu bir polimer kaplama geliştirmişti. Bu kaplama büyük küresel parçacıkları ve bunların içindeki daha küçük parçacıkları çevreler.
Bu tür çatlamaları önlemenin bir başka yolu da tek kristal parçacıkları kullanmaktır. Bu parçacıkların elektron mikroskobu, sınırlarının olmadığını gösterdi.
Ekibin sorunu, kaplanmış polikristallerden ve tek kristallerden yapılan katotların döngü sırasında hala çatlamasıydı. Bu nedenle, ABD Enerji Bakanlığı'nın Argonne Bilim Merkezi'ndeki Gelişmiş Foton Kaynağında (APS) ve Nanomalzemeler Merkezi'nde (CNM) bu katot malzemelerinin kapsamlı analizini gerçekleştirdiler.
Beş APS kolunda (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ve 34-ID-E) çeşitli x-ışını analizleri yapıldı. Bilim adamlarının tek bir kristal olduğunu düşündükleri şeyin, elektron ve X-ışını mikroskobuyla gösterildiği gibi, aslında içeride bir sınırı olduğu ortaya çıktı. CNM'lerin 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çok güzel bir şey” 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 adı verilen bir teknik ve diğer teknikleri kullandığımızda, sınırların içeride gizlendiğini gördük."
Daha da önemlisi ekip, sınırlar olmaksızın tek kristaller üretmek için bir yöntem geliştirdi. Küçük hücrelerin bu tek kristalli katotla 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, çoklu arayüzlü tek kristallerden veya kaplanmış polikristallerden oluşan NMC katotları, aynı ömür boyunca %60 ila %88 arasında bir kapasite düşüşü gösterdi.
Atomik ölçekteki hesaplamalar, katot kapasitansının azaltılmasının mekanizmasını ortaya koymaktadır. CNM'de bir nanobilimci olan Maria Chang'a göre, pil şarj edildiğinde sınırların oksijen atomlarını kaybetme olasılığı, onlardan daha uzaktaki alanlara göre daha fazla. Bu oksijen kaybı hücre döngüsünün bozulmasına yol açar.
Chan, "Hesaplamalarımız, sınırın yüksek basınçta oksijenin salınmasına neden olabileceğini ve bunun da performansın düşmesine yol açabileceğini gösteriyor" dedi.
Sınırın ortadan kaldırılması oksijen oluşumunu önler, böylece katodun güvenliğini ve döngüsel stabilitesini artırır. APS ile yapılan oksijen evrimi ölçümleri ve ABD Enerji Bakanlığı'nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki gelişmiş bir ışık kaynağı bu sonucu doğruluyor.
Argonne Onursal Üyesi Khalil Amin, "Artık pil üreticilerinin sınırları olmayan ve yüksek basınçta çalışan katot malzemeleri yapmak için kullanabileceği yönergelerimiz 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。”“Kurallar NMC dışındaki katot malzemelerine uygulanmalıdır.”
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. 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 nano ölçekli araştırmalar için önde gelen ulusal kullanıcı kurumudur. NSRC'ler hep birlikte, araştırmacılara nano ölçekli malzemelerin üretimi, işlenmesi, karakterizasyonu ve modellenmesi için en son teknolojiye sahip yetenekler sağlayan 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 Laboratuvarlarında bulunmaktadır. NSRC DOE hakkında daha fazla bilgi için https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us adresini ziyaret edin.​ er​-​F​a​c​i​l​​​yani​​bir​​-bir bakışta​.
ABD Enerji Bakanlığı'nın Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki Gelişmiş Foton Kaynağı (APS), dünyadaki en verimli X-ışını kaynaklarından biridir. APS, malzeme bilimi, kimya, yoğun madde fiziği, yaşam ve çevre bilimleri ve uygulamalı araştırma alanlarındaki çeşitli araştırma topluluklarına yüksek yoğunluklu X ışınları sağlar. Bu X-ışınları, ulusal ekonomimiz, teknolojimiz için hayati önem taşıyan malzeme ve biyolojik yapıları, elementlerin dağılımını, kimyasal, manyetik ve elektronik durumlarını ve pillerden yakıt enjektör memelerine kadar her türlü teknik açıdan önemli mühendislik sistemlerini incelemek için idealdir. . ve vücut Sağlığın temeli. Her yıl 5.000'den fazla araştırmacı, diğer X-ışını araştırma merkezlerinin kullanıcılarından daha fazla önemli keşifleri detaylandıran ve daha önemli biyolojik protein yapılarını çözen 2.000'den fazla yayın yayınlamak için APS'yi kullanıyor. APS bilim insanları ve mühendisleri, hızlandırıcıların ve ışık kaynaklarının performansını artırmanın temelini oluşturan yenilikçi teknolojileri uyguluyor. Bu, araştırmacılar tarafından takdir edilen son derece parlak X-ışınları üreten giriş cihazlarını, X-ışınlarını birkaç nanometreye kadar odaklayan mercekleri, X-ışınlarının incelenen numuneyle etkileşimini en üst düzeye çıkaran araçları ve APS keşiflerinin toplanmasını ve yönetimini içerir. Araştırma çok büyük veri hacimleri üretiyor.
Bu çalışmada, DE-AC02-06CH11357 sözleşme numarasıyla ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi için Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından işletilen ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Kullanıcı Merkezi olan Advanced Photon Source'un kaynakları kullanılmıştır.
Argonne Ulusal Laboratuvarı yerli bilim ve teknolojinin acil sorunlarını çözmeye çalışmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk ulusal laboratuvar olan Argonne, neredeyse her bilimsel disiplinde en ileri düzeyde temel ve uygulamalı araştırmalar yürütmektedir. Argonne araştırmacıları, belirli sorunları çözmelerine, ABD bilimsel liderliğini ilerletmelerine ve ülkeyi daha iyi bir geleceğe hazırlamalarına yardımcı olmak için yüzlerce şirketten, üniversiteden ve federal, eyalet ve belediye kurumlarından araştırmacılarla yakın işbirliği içinde çalışıyor. Argonne, 60'tan fazla ülkeden çalışanı istihdam etmektedir ve ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi'ne bağlı UChicago Argonne, LLC tarafından işletilmektedir.
ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi, fiziksel bilimlerdeki temel araştırmaların ülkedeki en büyük savunucusudur ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için https://​energy​.gov/​science​ience adresini ziyaret edin.