I ricercatori di u Laboratoriu Naziunale di 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 di lithium-ion. Parechji di sti risultati sò per u cathode di a bateria, chjamatu NMC, nickel manganese è cobalt oxide. Una batteria cù questu catodu alimenta avà u Chevrolet Bolt.
I ricercatori di l'Argonne anu ottenutu un'altra svolta in i catodi NMC. A nova struttura di particelle di catodi minuscule di a squadra puderia rende a batteria più durable è più sicura, capace di operare à tensioni assai elevate è furnisce intervalli di viaghju più longu.
"Avemu avà una guida chì i pruduttori di batterie ponu aduprà per fà materiali di catodi senza frontiere d'alta pressione", Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"I catodi NMC esistenti presentanu un ostaculu maiò per u travagliu di alta tensione", disse l'assistente chimicu Guiliang Xu. Cù u ciculu di carica-scarica, u rendiment cala rapidamente per via di a furmazione di crepe in e particelle di catodi. Per decennii, i circadori di batterie anu cercatu modi per riparà sti cracke.
Un metudu in u passatu usava particelle sferiche minuscule composte da parechje particelle assai più chjuche. Grandi particeddi sferichi sò policristallini, cù duminii cristallini di diverse orientazioni. In u risultatu, anu ciò chì i scientisti chjamanu frontiere di granu trà e particeddi, chì ponu causà a bateria à crack durante un ciclu. Per impediscenu questu, i culleghi di Xu è Argonne avianu sviluppatu prima un revestimentu di polimeru protettivu intornu à ogni particella. Stu revestimentu circonda particelle sferiche grandi è particelle più chjuche in elli.
Un altru modu per evità stu tipu di cracking hè di utilizà particelle di cristalli unichi. A microscopia elettronica di sti particeddi hà dimustratu chì ùn anu micca cunfini.
U prublema per a squadra era chì i catodi fatti da policristalli rivestiti è cristalli unichi sempre crackati durante u ciclismu. Per quessa, anu realizatu un'analisi estensiva di questi materiali di catodi à l'Advanced Photon Source (APS) è u Center for Nanomaterials (CNM) in l'Argonne Science Center di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti.
Diversi analisi di raghji X sò stati realizati nantu à cinque braccia APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C è 34-ID-E). Risulta chì ciò chì i scientisti pensanu chì era un cristallu unicu, cum'è mostratu da a microscopia di l'elettroni è di i raghji X, hà in realtà un cunfini à l'internu. A scansione è a microscopia elettronica di trasmissione di CNM cunfirmò sta cunclusione.
"Quandu avemu vistu a morfologia di a superficia di queste particelle, parevanu cristalli unichi", disse 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术戥加速器X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 抶 朗 抶 朗们 发现 边界 隐藏 在。”"Tuttavia, quandu avemu usatu una tecnica chjamata microscopia di diffrazione di raghji X di sincrotrone è altre tecniche in APS, avemu trovu chì i cunfini eranu nascosti in l'internu".
Impurtante, a squadra hà sviluppatu un metudu per pruduce cristalli unichi senza frontiere. A prova di e piccule cellule cù stu catodu monocristallu à tensioni assai elevate hà dimustratu un aumentu di 25% in l'almacenamiento d'energia per unità di volume senza praticamente perdita di prestazioni in più di 100 cicli di prova. In cuntrastu, i catodi NMC cumposti da cristalli unichi multi-interfaccia o policristalli rivestiti anu dimustratu una caduta di capacità di 60% à 88% in a stessa vita.
I calculi in scala atomica revelanu u mecanismu di a riduzione di a capacità di catode. Sicondu Maria Chang, un nanoscientist in CNM, i cunfini sò più prubabile di perde l'atomi di l'ossigenu quandu a bateria hè carica da e zone più alluntanate da elli. Sta perdita di l'ossigenu porta à a degradazione di u ciculu cellulare.
"I nostri calculi mostranu cumu u cunfini pò purtà à l'ossigenu esse liberatu à alta pressione, chì pò purtà à un rendimentu ridutta", disse Chan.
L'eliminazione di u cunfini impedisce l'evoluzione di l'ossigenu, migliurà 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 in u Laboratoriu Naziunale di Lawrence Berkeley di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti cunfirmanu sta cunclusione.
"Ora avemu linee guida chì i pruduttori di batterie ponu aduprà per fà materiali di catodi chì ùn anu micca cunfini è operanu à alta pressione", disse 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。”"Le linee guida duveranu applicà à i materiali di catodi 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 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, Ming Du è Zonghai Chen. 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).
Circa 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 prima istituzione naziunale d'utilizatori per a ricerca interdisciplinaria in nanomateriale sustinuta da l'Uffiziu di Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti. Inseme, i NSRC formanu una suite di strutture cumplementarii chì furnisce i circadori cù capacità di punta per a fabricazione, trasfurmazioni, caratterizà è modellazione di materiali nanoscala è rapprisentanu u più grande investimentu infrastrutturale sottu l'Iniziativa Naziunale di Nanotecnologia. U NSRC hè situatu à 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 infurmazione nantu à u NSRC DOE, visitate 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.
U Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti Advanced Photon Source (APS) in u Laboratoriu Naziunale di Argonne hè una di e fonti di raghji X più produttive in u mondu. APS furnisce raghji X di alta intensità à una comunità di ricerca diversa in a scienza di i materiali, a chimica, a fisica di a materia condensata, a scienze di a vita è di l'ambiente, è a ricerca applicata. Questi raghji X sò ideali per studià i materiali è e strutture biologiche, a distribuzione di elementi, stati chimichi, magnetichi è elettronichi, è sistemi di ingegneria tecnicamente impurtanti di ogni tipu, da e batterie à l'injector di carburante, chì sò vitali per a nostra ecunumia naziunale, tecnulugia. . è corpu A basa di salute. Ogni annu, più di 5 000 circadori utilizanu APS per pubblicà più di 2 000 publicazioni chì detallanu scuperte impurtanti è risolve strutture di prutezione biologica più impurtanti cà l'utilizatori di qualsiasi altru centru di ricerca di raghji X. I scientisti è l'ingegneri di l'APS implementanu tecnulugii innovatori chì sò a basa per migliurà a prestazione di l'acceleratori è e fonti di luce. Questu include i dispositi di input chì producenu raghji X estremamente brillanti apprezzati da i circadori, lenti chì focalizanu i raghji X finu à uni pochi nanometri, strumenti chì maximizanu a manera chì i raghji X interagiscenu cù a mostra in studiu, è a cullizzioni è a gestione di scuperte APS. A ricerca genera volumi enormi di dati.
Stu studiu hà utilizatu risorse da Advanced Photon Source, un Dipartimentu di l'Energia di l'Uffiziu di l'Usuariu di a Scienza di i Stati Uniti operatu da u Laboratoriu Naziunale di Argonne per u Dipartimentu di l'Energia di l'Uffiziu di a Scienza di i Stati Uniti sottu u numeru di cuntrattu DE-AC02-06CH11357.
U Laboratoriu Naziunale di Argonne s'impegna à risolve i prublemi pressanti di a scienza è a tecnulugia domestica. Cum'è u primu laboratoriu naziunale in i Stati Uniti, Argonne conduce una ricerca basica è applicata di punta in quasi ogni disciplina scientifica. I circadori Argonne travaglianu strettamente cù circadori di centinaie di cumpagnie, università è agenzie federali, statali è municipali per aiutà à risolve i prublemi specifichi, avanzà a dirigenza scientifica di i Stati Uniti è preparanu a nazione per un futuru megliu. Argonne impiega impiegati da più di 60 paesi è hè operatu da UChicago Argonne, LLC di l'Uffiziu di Scienza di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti.
L'Uffiziu di Scienze di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti hè u più grande proponente di a nazione di a ricerca basica in e scienze fisiche, travagliendu per affruntà alcuni di i prublemi più pressanti di u nostru tempu. Per più infurmazione, visitate https://​energy​.gov/​science​ience.