USA energeetikaministeeriumi (DOE) Argonne'i riikliku labori teadlastel on pikk ajalugu teedrajavate avastuste tegemisel liitiumioonakude valdkonnas. Paljud neist tulemustest on seotud aku katoodiga, mida nimetatakse NMC-ks, nikkelmangaaniks ja koobaltoksiidiks. Selle katoodiga aku annab nüüd energiat Chevrolet Boltile.
Argonne'i teadlased on saavutanud uue läbimurde NMC-katoodide valdkonnas. Meeskonna uus pisikeste katoodosakeste struktuur võib muuta aku vastupidavamaks ja ohutumaks, võimaldades töötada väga kõrgetel pingetel ja pakkuda pikemaid sõiduulatust.
„Meil on nüüd juhised, mida akutootjad saavad kasutada kõrgsurve, ääristeta katoodmaterjalide valmistamiseks,“ ütles Khalil Amin, Argonne'i emeriitliige.
„Olemasolevad NMC-katoodid on kõrgepingetööde puhul suureks takistuseks,“ ütles keemik abi Guiliang Xu. Laadimise ja tühjenemise tsüklite korral langeb jõudlus kiiresti katoodiosakestesse tekkivate pragude tõttu. Akude uurijad on aastakümneid otsinud võimalusi nende pragude parandamiseks.
Üks varasem meetod kasutas pisikesi sfäärilisi osakesi, mis koosnesid paljudest palju väiksematest osakestest. Suured sfäärilised osakesed on polükristallilised, erineva orientatsiooniga kristalliliste domeenidega. Selle tulemusena on neil osakeste vahel niinimetatud teradevahelised piirid, mis võivad aku tsükli ajal praguneda. Selle vältimiseks olid Xu ja Argonne'i kolleegid varem välja töötanud iga osakese ümber kaitsva polümeerkatte. See kate ümbritseb suuri sfäärilisi osakesi ja nende sees olevaid väiksemaid osakesi.
Teine viis sellise pragunemise vältimiseks on kasutada monokristallilisi osakesi. Nende osakeste elektronmikroskoopia näitas, et neil puuduvad piirid.
Meeskonna probleemiks oli see, et kaetud polükristallidest ja monokristallidest valmistatud katoodid pragunesid tsüklilise töötlemise ajal ikkagi. Seetõttu viisid nad läbi nende katoodmaterjalide ulatusliku analüüsi USA energeetikaministeeriumi Argonne'i teaduskeskuse Advanced Photon Source'is (APS) ja nanomaterjalide keskuses (CNM).
Viie APS-i haru (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ja 34-ID-E) röntgenanalüüsid viidi läbi mitmesugused. Selgus, et see, mida teadlased pidasid monokristalliks, nagu elektron- ja röntgenmikroskoopia näitas, oli tegelikult seespool piir. CNM-ide skaneeriv ja transmissioon-elektronmikroskoopia kinnitas seda järeldust.
„Kui me vaatasime nende osakeste pinnamorfoloogiat, nägid nad välja nagu monokristallid,“ ütles füüsik 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 在 在 使用 使用 种 加速器， 我们 发现 边界 隐藏 在。”"Kui aga kasutasime APS-is tehnikat nimega sünkrotronröntgendifraktsioonmikroskoopia ja teisi tehnikaid, leidsime, et piirid olid sissepoole peidetud."
Oluline on see, et meeskond on välja töötanud meetodi piirideta monokristallide tootmiseks. Väikeste elementide testimine selle monokristallkatoodiga väga kõrgetel pingetel näitas 25% energiasalvestuse suurenemist mahuühiku kohta, kusjuures jõudlus praktiliselt ei kadunud 100 katsetsükli jooksul. Seevastu mitme liidesega monokristallidest või kaetud polükristallidest koosnevad NMC-katoodid näitasid sama eluea jooksul 60–88% mahtuvuse langust.
Aatomiskaala arvutused paljastavad katoodi mahtuvuse vähenemise mehhanismi. CNM-i nanoteadlase Maria Changi sõnul kaotavad aku laadimise ajal hapnikuaatomid tõenäolisemalt piirialadelt kui neist kaugemal asuvatelt aladelt. See hapnikukaotus viib rakutsükli lagunemiseni.
„Meie arvutused näitavad, kuidas piir võib viia hapniku vabanemiseni kõrge rõhu all, mis võib kaasa tuua jõudluse vähenemise,“ ütles Chan.
Piiri kõrvaldamine hoiab ära hapniku eraldumise, parandades seeläbi katoodi ohutust ja tsüklilist stabiilsust. Hapniku eraldumise mõõtmised APS-i ja USA energeetikaministeeriumi Lawrence Berkeley riikliku labori täiustatud valgusallikaga kinnitavad seda järeldust.
„Nüüd on meil juhised, mida akutootjad saavad kasutada katoodmaterjalide valmistamiseks, millel pole piire ja mis töötavad kõrge rõhu all,“ ütles Argonne'i emeriitliige Khalil Amin. 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。”„Juhiseid tuleks kohaldada ka muudele katoodmaterjalidele peale NMC.“
Selle uuringu kohta ilmus artikkel ajakirjas Nature Energy. Lisaks Xu, Amin, Liu ja Changile on Argonne'i autorid Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwanu, Duheng, Taingha ja Zhengi. Chen. Teadlased Lawrence Berkeley riiklikust laborist (Wanli Yang, Qingtian Li ja Zengqing Zhuo), Xiameni ülikoolist (Jing-Jing Fan, Ling Huang ja Shi-Gang Sun) ja Tsinghua ülikoolist (Dongsheng Ren, Xuning Feng ja Mingao Ouyang).
Argonne'i Nanomaterjalide Keskusest Nanomaterjalide Keskus, üks viiest USA energeetikaministeeriumi nanotehnoloogia uurimiskeskusest, on peamine riiklik kasutajaasutus interdistsiplinaarsete nanoskaala uuringute jaoks, mida toetab USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo. Koos moodustavad NSRC-d üksteist täiendavate rajatiste komplekti, mis pakuvad teadlastele tipptasemel võimalusi nanoskaala materjalide valmistamiseks, töötlemiseks, iseloomustamiseks ja modelleerimiseks ning esindavad riikliku nanotehnoloogia algatuse suurimat taristuinvesteeringut. NSRC asub USA energeetikaministeeriumi riiklikes laborites Argonne'is, Brookhavenis, Lawrence Berkeleys, Oak Ridge'is, Sandias ja Los Alamoses. Lisateavet NSRC DOE kohta leiate aadressilt https://​science​.osti​.gov/​U​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance.
USA energeetikaministeeriumi täiustatud footoniallikas (APS) Argonne'i riiklikus laboris on üks maailma produktiivsemaid röntgenikiirgusallikaid. APS pakub suure intensiivsusega röntgenikiirgust mitmekesisele teadlaskonnale materjaliteaduses, keemias, kondenseeritud aine füüsikas, elu- ja keskkonnateadustes ning rakendusuuringutes. Need röntgenikiirgused sobivad ideaalselt materjalide ja bioloogiliste struktuuride, elementide jaotuse, keemiliste, magnetiliste ja elektrooniliste olekute ning igasuguste tehniliselt oluliste insener-süsteemide uurimiseks, alates patareidest kuni kütusepihustite düüsideni, mis on meie riigi majanduse, tehnoloogia ja keha tervise alus. Igal aastal kasutab APS-i enam kui 5000 teadlast, et avaldada enam kui 2000 publikatsiooni, milles kirjeldatakse olulisi avastusi ja lahendatakse olulisemaid bioloogilisi valgustruktuure kui ühegi teise röntgenikiirguse uurimiskeskuse kasutajad. APS-i teadlased ja insenerid rakendavad uuenduslikke tehnoloogiaid, mis on aluseks kiirendite ja valgusallikate jõudluse parandamisele. See hõlmab sisendseadmeid, mis toodavad teadlaste poolt hinnatud äärmiselt eredaid röntgenikiirgusid, läätsesid, mis fokuseerivad röntgenikiirgust mõne nanomeetri täpsusega, instrumente, mis maksimeerivad röntgenikiirguse interaktsiooni uuritava prooviga, ning APS-i avastuste kogumist ja haldamist. Uuringud genereerivad tohutuid andmemahtusid.
Selles uuringus kasutati ressursse ettevõttelt Advanced Photon Source, mis on USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo kasutajakeskus ja mida haldab Argonne'i riiklik labor USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo jaoks lepingunumbri DE-AC02-06CH11357 alusel.
Argonne'i riiklik labor püüab lahendada kodumaise teaduse ja tehnoloogia pakilisemaid probleeme. Ameerika Ühendriikide esimese riikliku laborina viib Argonne läbi tipptasemel baas- ja rakendusuuringuid praktiliselt igas teadusvaldkonnas. Argonne'i teadlased teevad tihedat koostööd sadade ettevõtete, ülikoolide ning föderaal-, osariigi- ja munitsipaalasutuste teadlastega, et aidata neil lahendada konkreetseid probleeme, edendada USA teaduslikku juhtpositsiooni ja valmistada riiki ette paremaks tulevikuks. Argonne'is töötab töötajaid enam kui 60 riigist ja seda haldab USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo UChicago Argonne, LLC.
USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo on riigi suurim füüsikateaduste baasuuringute toetaja, mis tegeleb meie aja kõige pakilisemate probleemide lahendamisega. Lisateabe saamiseks külastage veebilehte https://​energy​.gov/​science​ience.