I circadori di u Laboratoriu Naziunale Argonne di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti (DOE) anu una longa storia di scuperte pioniere in u campu di e batterie à ioni di litiu. Parechji di sti risultati sò per u catodu di a batteria, chjamatu NMC, nichel manganese è ossidu di cobaltu. Una batteria cù stu catodu alimenta avà a Chevrolet Bolt.
I circadori di Argonne anu ottenutu un'altra svolta in i catodi NMC. A nova struttura di piccule particelle di catodu di a squadra puderia rende a batteria più durevule è più sicura, capace di funziunà à tensioni assai elevate è furnisce distanze di viaghju più lunghe.
«Avà avemu una guida chì i pruduttori di batterie ponu aduprà per fà materiali catodici senza bordi è à alta pressione», Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
«I catodi NMC esistenti rapprisentanu un ostaculu maiò per u travagliu à alta tensione», hà dettu u chimicu assistente Guiliang Xu. Cù u ciclu di carica-scarica, e prestazioni calanu rapidamente per via di a furmazione di crepe in e particelle di u catodu. Per decennii, i circadori di batterie anu cercatu modi per riparà queste crepe.
Un metudu in u passatu utilizava piccule particelle sferiche cumposte da parechje particelle assai più chjuche. E grande particelle sferiche sò policristalline, cù duminii cristallini di diverse orientazioni. Di cunsiguenza, anu ciò chì i scientifichi chjamanu cunfini di granu trà e particelle, chì ponu fà chì a batteria si crepi durante un ciclu. Per impedisce questu, i culleghi di Xu è Argonne avianu sviluppatu prima un rivestimentu polimericu protettivu intornu à ogni particella. Stu rivestimentu circonda e grande particelle sferiche è e particelle più chjuche in elle.
Un altru modu per evità stu tipu di cracking hè di utilizà particelle di cristallu unicu. A microscopia elettronica di ste particelle hà dimustratu ch'elle ùn anu micca limiti.
U prublema per a squadra era chì i catodi fatti di policristalli rivestiti è monocristalli si rumpianu sempre durante u ciclu. Dunque, anu realizatu analisi approfondite di sti materiali catodici à l'Advanced Photon Source (APS) è à u Center for Nanomaterials (CNM) di u Centru di Scienze Argonne di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti.
Diverse analisi à raggi X sò state realizate nantu à cinque bracci APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C è 34-ID-E). Si scopre chì ciò chì i scientifichi pensavanu esse un monocristallu, cum'è dimustratu da a microscopia elettronica è à raggi X, avia in realtà un cunfine internu. A microscopia elettronica à scansione è à trasmissione di i CNM hà cunfirmatu sta cunclusione.
«Quandu avemu guardatu a morfologia superficiale di ste particelle, parevanu monocristalli», hà dettu u fisicu Wenjun Liu. 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 微镜 的 微镜 的 咶 朗朗我们 发现 边界 隐藏 在。”"Tuttavia, quandu avemu utilizatu una tecnica chjamata microscopia di diffrazione di raggi X di sincrotrone è altre tecniche à APS, avemu scupertu chì i limiti eranu piattati dentru."
Impurtantemente, a squadra hà sviluppatu un metudu per pruduce monocristalli senza limiti. I testi di piccule cellule cù questu catodu monocristallinu à tensioni assai elevate anu mostratu un aumentu di 25% in l'accumulazione di energia per unità di vulume senza praticamente alcuna perdita di prestazioni in 100 cicli di prova. In cuntrastu, i catodi NMC cumposti da monocristalli multiinterfaccia o policristalli rivestiti anu mostratu una diminuzione di capacità da 60% à 88% durante a stessa durata di vita.
I calculi à scala atomica rivelanu u mecanismu di riduzione di a capacità catodica. Sicondu Maria Chang, una nanoscienziata à u CNM, i limiti anu più probabilità di perde atomi d'ossigenu quandu a batteria hè caricata chè e zone più luntane da elli. Sta perdita d'ossigenu porta à a degradazione di u ciclu cellulare.
«I nostri calculi mostranu cumu u cunfine pò purtà à a liberazione di l'ossigenu à alta pressione, ciò chì pò purtà à una riduzione di e prestazioni», hà dettu Chan.
Eliminà u cunfine impedisce l'evoluzione di l'ossigenu, migliurendu cusì a sicurezza è a stabilità ciclica di u catodu. E misurazioni di l'evoluzione di l'ossigenu cù APS è una fonte di luce avanzata à u Laboratoriu Naziunale Lawrence Berkeley di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti cunfermanu sta cunclusione.
«Avà avemu linee guida chì i pruduttori di batterie ponu aduprà per fà materiali catodici chì ùn anu micca limiti è operanu à alta pressione», hà dettu 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。”"E linee guida devenu applicà si à i materiali catodici diversi da NMC."
Un articulu annantu à stu studiu apparsu in a rivista Nature Energy. In più di Xu, Amin, Liu è Chang, l'autori di l'Argonne sò 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, è Zhou. Scientisti di u Laboratoriu Naziunale Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, è Zengqing Zhuo), Università di Xiamen (Jing-Jing Fan , Ling Huang è Shi-Gang Sun) è Università Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng è Mingao Ouyang).
À propositu di u Centru Argonne per i Nanomateriali U Centru per i Nanomateriali, unu di i cinque centri di ricerca in nanotecnologia di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti, hè a principale istituzione naziunale d'utilizatori per a ricerca interdisciplinare à nanoscala sustinuta da l'Uffiziu di a Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti. Inseme, i NSRC formanu un inseme di strutture cumplementari chì furniscenu à i circadori capacità d'avanguardia per a fabricazione, a trasfurmazione, a caratterizazione è a mudellazione di materiali à nanoscala è rapprisentanu u più grande investimentu in infrastruttura in u quadru di l'Iniziativa Naziunale di Nanotecnologia. U NSRC si trova in i Laboratori Naziunali di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti in Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia è Los Alamos. Per più infurmazioni nantu à u DOE NSRC, visitate https://science.osti.gov/User-Fa-c-i-lit-ie-s/ User-Fa-c-i-l-it-ie-s-at-a-Glance.
L'Advanced Photon Source (APS) di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti à u Laboratoriu Naziunale Argonne hè una di e fonti di raggi X più produttive in u mondu. APS furnisce raggi X d'alta intensità à una cumunità di ricerca diversa in scienza di i materiali, chimica, fisica di a materia condensata, scienze di a vita è ambientali, è ricerca applicata. Quessi raggi X sò ideali per studià i materiali è e strutture biologiche, a distribuzione di l'elementi, i stati chimichi, magnetichi è elettronichi, è i sistemi d'ingegneria tecnicamente impurtanti di ogni tipu, da e batterie à l'ugelli di l'iniettore di carburante, chì sò vitali per a nostra ecunumia naziunale, a tecnulugia è u corpu, a basa di a salute. Ogni annu, più di 5.000 circadori utilizanu APS per pubblicà più di 2.000 publicazioni chì dettaglianu scuperte impurtanti è risolvenu strutture di proteine ​​biologiche più impurtanti cà l'utilizatori di qualsiasi altru centru di ricerca à raggi X. I scientifichi è l'ingegneri di APS stanu implementendu tecnulugie innovative chì sò a basa per migliurà e prestazioni di l'acceleratori è di e fonti di luce. Questu include dispositivi d'input chì producenu raggi X estremamente luminosi apprezzati da i circadori, lenti chì focalizanu i raggi X finu à uni pochi di nanometri, strumenti chì massimizanu u modu in cui i raggi X interagiscenu cù u campione in studiu, è a raccolta è a gestione di e scuperte APS. A ricerca genera enormi volumi di dati.
Questu studiu hà utilizatu risorse da Advanced Photon Source, un Centru d'Utilizatori di l'Uffiziu di Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti gestitu da u Laboratoriu Naziunale Argonne per l'Uffiziu di Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti sottu u numeru di cuntrattu DE-AC02-06CH11357.
U Laboratoriu Naziunale Argonne s'impegna à risolve i prublemi urgenti di a scienza è di a tecnulugia naziunale. Cum'è u primu laburatoriu naziunale in i Stati Uniti, Argonne conduce ricerche basiche è applicate d'avanguardia in praticamente ogni disciplina scientifica. I circadori di Argonne travaglianu strettamente cù circadori di centinaie d'imprese, università è agenzie federali, statali è municipali per aiutalli à risolve prublemi specifichi, fà avanzà a leadership scientifica di i Stati Uniti è preparà a nazione per un futuru megliu. Argonne impiega impiegati di più di 60 paesi è hè gestita da UChicago Argonne, LLC di l'Uffiziu di Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti.
L'Uffiziu di a Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti hè u più grande sustenitore di a ricerca fundamentale in e scienze fisiche di a nazione, travagliendu per affruntà alcune di e questioni più urgenti di u nostru tempu. Per più infurmazioni, visitate https://energy.gov/scienceience.