USA energeetikaministeeriumi (DOE) Argonne'i riikliku labori teadlastel on liitium-ioonakude valdkonnas pikk teedrajavate avastuste ajalugu. Paljud neist tulemustest puudutavad aku katoodi, mida nimetatakse NMC-ks, nikkel-mangaaniks ja koobaltoksiidiks. Selle katoodiga aku toidab nüüd Chevrolet Bolti.
Argonne'i teadlased on saavutanud järjekordse läbimurde NMC katoodide vallas. Meeskonna uus pisike katoodosakeste struktuur võib muuta aku vastupidavamaks ja ohutumaks, töötada väga kõrgel pingel ja pakkuda pikemat sõiduulatust.
"Nüüd on meil juhised, mida akutootjad saavad kasutada kõrgsurve ja ääristeta katoodmaterjalide valmistamiseks," Khalil Amin, Argonne'i emeriitmees.
"Olemasolevad NMC katoodid kujutavad endast suurt takistust kõrgepingetööle," ütles keemiku assistent Guiliang Xu. Laadimise-tühjenemise tsükli korral langeb jõudlus kiiresti, kuna katoodosakestesse tekivad praod. Aastakümneid on akuuurijad otsinud võimalusi nende pragude parandamiseks.
Ühes minevikus kasutati väikeseid sfäärilisi osakesi, mis koosnesid paljudest palju väiksematest osakestest. Suured sfäärilised osakesed on polükristallilised, erineva orientatsiooniga kristalsete domeenidega. Selle tulemusena on neil osakeste vahelised terapiirid, mida teadlased nimetavad, mis võivad põhjustada aku pragunemist tsükli ajal. Selle vältimiseks olid Xu ja Argonne’i kolleegid eelnevalt iga osakese ümber välja töötanud kaitsva polümeerkatte. See kate ümbritseb suuri sfäärilisi osakesi ja nende sees olevaid väiksemaid osakesi.
Teine võimalus sellist pragunemist vältida on monokristallosakeste kasutamine. Nende osakeste elektronmikroskoopia näitas, et neil pole piire.
Meeskonna probleemiks oli see, et kaetud polükristallidest ja monokristallidest valmistatud katoodid purunesid rattasõidu ajal endiselt. Seetõttu viisid nad läbi nende katoodmaterjalide ulatusliku analüüsi USA energeetikaministeeriumi Argonne'i teaduskeskuses Advanced Photon Source (APS) ja nanomaterjalide keskuses (CNM).
Viiel APS-harul (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ja 34-ID-E) viidi läbi erinevad röntgenanalüüsid. Selgub, et sellel, mida teadlased pidasid monokristalliks, nagu näitas elektron- ja röntgenmikroskoopia, oli tegelikult piir sees. CNM-ide skaneerimine ja ülekande elektronmikroskoopia kinnitasid seda järeldust.
"Kui me vaatasime nende osakeste pinnamorfoloogiat, nägid need välja nagu üksikkristallid," 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木微镜的技步加速器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 在 在 微 镜 的 抾 微 镜 的 抾 微 镜 的们 发现 边界 隐藏 在。”"Kui aga kasutasime APS-is sünkrotronröntgendifraktsioonimikroskoopiat ja muid tehnikaid, leidsime, et piirid olid peidus."
Oluline on see, et meeskond on välja töötanud meetodi üksikute kristallide tootmiseks piirideta. Väikeste elementide testimine selle ühekristallkatoodiga väga kõrgel pingel näitas 25% energiasalvestuse kasvu ruumalaühiku kohta, ilma et 100 katsetsükli jooksul jõudlus väheneks. Seevastu mitme liidesega üksikkristallidest või kaetud polükristallidest koosnevad NMC katoodid näitasid sama eluea jooksul võimsuse langust 60% kuni 88%.
Aatomiskaala arvutused paljastavad katoodi mahtuvuse vähendamise mehhanismi. CNMi nanoteadlase Maria Changi sõnul kaotavad piirid aku laadimisel hapnikuaatomeid tõenäolisemalt kui neist kaugemal asuvad alad. See hapniku kadu põhjustab rakutsükli lagunemist.
"Meie arvutused näitavad, kuidas piir võib viia hapniku vabanemiseni kõrgel rõhul, mis võib viia jõudluse vähenemiseni," ütles Chan.
Piiri kõrvaldamine takistab hapniku eraldumist, parandades seeläbi katoodi ohutust ja tsüklilist stabiilsust. Hapniku evolutsiooni mõõtmised APS-i ja täiustatud valgusallikaga USA energeetikaministeeriumi Lawrence Berkeley riiklikus laboris kinnitavad seda järeldust.
"Nüüd on meil juhised, mida akutootjad saavad kasutada katoodmaterjalide valmistamiseks, millel pole piire ja mis töötavad kõrgel rõhul," ütles 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。”"Juhised peaksid kehtima katoodimaterjalidele, mis ei ole NMC."
Selle uuringu kohta ilmus artikkel ajakirjas Nature Energy. Lisaks Xule, Aminile, Liule 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 Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du ja Zonghai 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 USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo toetatud interdistsiplinaarsete nanomõõtmeliste uuringute peamine riiklik kasutajaasutus. Üheskoos moodustavad NSRC-d täiendavate rajatiste komplekti, mis pakuvad teadlastele kaasaegseid võimalusi nanomõõtmeliste materjalide valmistamiseks, töötlemiseks, iseloomustamiseks ja modelleerimiseks ning kujutavad endast suurimat infrastruktuuriinvesteeringut riikliku nanotehnoloogia algatuse raames. NSRC asub USA energeetikaministeeriumi riiklikes laborites Argonne'is, Brookhavenis, Lawrence Berkeley's, Oak Ridge'is, Sandias ja Los Alamoses. NSRC DOE kohta lisateabe saamiseks külastage veebisaiti https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/​Us er​-​Fac​i​it​ie​ie​s​-​​-a​​​Glance.
USA energeetikaministeeriumi Argonne'i riiklikus laboris asuv täiustatud fotoniallikas (APS) on üks produktiivsemaid röntgeniallikaid maailmas. APS pakub suure intensiivsusega röntgenikiirgust materjaliteaduse, keemia, kondenseeritud aine füüsika, bio- ja keskkonnateaduste ning rakendusuuringute mitmekülgsele teadlaskonnale. Need röntgenikiired sobivad ideaalselt materjalide ja bioloogiliste struktuuride, elementide jaotuse, keemiliste, magnetiliste ja elektrooniliste olekute ning kõikvõimalike tehniliselt oluliste insener-süsteemide uurimiseks akudest kütusepihusti düüsideni, mis on meie rahvamajanduse ja tehnoloogia jaoks üliolulised. . ja keha Tervise alus. Igal aastal kasutab enam kui 5000 teadlast APS-i, et avaldada rohkem kui 2000 publikatsiooni, milles kirjeldatakse üksikasjalikult olulisi avastusi ja lahendatakse olulisemaid bioloogilisi valgu struktuure kui ühegi teise röntgeniuuringute keskuse 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 eredat röntgenikiirgust, läätsi, mis fokusseerivad röntgenikiirgust kuni mõne nanomeetrini, instrumente, mis maksimeerivad röntgenikiirguse ja uuritava prooviga suhtlemist, ning APS-i avastuste kogumist ja haldamist. Uuringud toodavad tohutuid andmemahtusid.
Selles uuringus kasutati ressursse Advanced Photon Source, USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo kasutajakeskus, mida haldab USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo Argonne'i riiklik labor lepingunumbri DE-AC02-06CH11357 alusel.
Argonne'i riiklik labor püüab lahendada kodumaise teaduse ja tehnoloogia pakilisi probleeme. Ameerika Ühendriikide esimese riikliku laborina viib Argonne läbi tipptasemel alus- ja rakendusuuringuid peaaegu kõigis teadusvaldkondades. 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 juhib USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo UChicago Argonne LLC.
USA energeetikaministeeriumi teadusamet on riigi suurim füüsikaliste teaduste alusuuringute toetaja, kes tegeleb meie aja kõige pakilisemate probleemidega. Lisateabe saamiseks külastage https://​energy​.gov/​science​ience.