לחוקרים במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקני (DOE) יש היסטוריה ארוכה של תגליות חלוציות בתחום סוללות ליתיום-יון. רבות מהתוצאות הללו מיועדות לקתודה הסוללה, הנקראת NMC, ניקל מנגן ותחמוצת קובלט. סוללה עם הקתודה הזו מעצימה כעת את בריח שברולט.
חוקרי ארגון השיגו פריצת דרך נוספת בקתודות NMC. מבנה החלקיקים הקתודי הזעיר החדש של הצוות יכול להפוך את הסוללה לעמידה ובטוחה יותר, ומסוגלת לפעול במתחים גבוהים מאוד ולספק טווחי נסיעה ארוכים יותר.
"כעת יש לנו הנחיות שמיצרני הסוללות יכולים להשתמש בהם כדי ליצור חומרי קתודה בלחץ גבוה, ללא גבולות," ח'ליל אמין, אמריטוס עמיתו של ארגון.
"קתודות NMC קיימות מציגות מכשול גדול לעבודות מתח גבוה", אמר העוזר הכימאי גוינג שו. עם רכיבה על אופניים עם פריקה מטען, הביצועים יורדים במהירות בגלל היווצרות סדקים בחלקיקי הקתודה. במשך עשרות שנים חוקרי סוללות מחפשים דרכים לתקן את הסדקים הללו.
שיטה אחת בעבר השתמשה בחלקיקים כדוריים זעירים המורכבים מחלקיקים רבים קטנים בהרבה. חלקיקים כדוריים גדולים הם פוליקריסטליים, עם תחומים גבישיים של אוריינטציות שונות. כתוצאה מכך, יש להם מה שמדענים מכנים גבולות תבואה בין חלקיקים, מה שעלול לגרום לסוללה להיסדק במהלך מחזור. כדי למנוע זאת, עמיתיו של שו וארגון פיתחו בעבר ציפוי פולימר מגן סביב כל חלקיק. ציפוי זה מקיף חלקיקים כדוריים גדולים וחלקיקים קטנים יותר בתוכם.
דרך נוספת להימנע מפיצוח מסוג זה היא להשתמש בחלקיקי קריסטל בודדים. מיקרוסקופיית אלקטרונים של חלקיקים אלה הראתה כי אין להם גבולות.
הבעיה של הצוות הייתה שקתודות העשויות מפולי -קריסטלים מצופים וקריסטלים בודדים שעדיין נסדקים במהלך אופניים. לפיכך, הם ערכו ניתוח נרחב של חומרי קתודה אלה במקור הפוטון המתקדם (APS) והמרכז לננו -חומרים (CNM) במרכז המדע הארגוני של אנרגיה בארה"ב.
ניתוחי רנטגן שונים בוצעו על חמש זרועות APS (11 מ"מ, 20 מ"מ, 2-ID-D, 11-ID-C ו- 34-ID-E). מסתבר שמה שמדענים חשבו שהוא גביש יחיד, כפי שמוצג על ידי מיקרוסקופיית אלקטרונים ורנטגן, היה למעשה גבול בפנים. מיקרוסקופיית אלקטרונים סריקה והולכה של CNMs אישרו מסקנה זו.
"כשהסתכלנו על המורפולוגיה של פני השטח של החלקיקים הללו, הם נראו כמו גבישים בודדים," אמר הפיזיקאי וונג'ון ליו. 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 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 在。 技术 技术 技术 在。 隐藏 技术 技术 技术 技术 在。"עם זאת, כאשר השתמשנו בטכניקה הנקראת מיקרוסקופיית דיפרקציה של סינכרוטרון רנטגן וטכניקות אחרות ב- APS, גילינו שהגבולות היו מוסתרים בפנים."
חשוב לציין שהצוות פיתח שיטה לייצור גבישים בודדים ללא גבולות. בדיקת תאים קטנים עם קתודה זו-גבישית אחת במתח גבוה מאוד הראתה עלייה של 25% באחסון האנרגיה לנפח יחידה ללא הפסד כמעט בביצועים מעל 100 מחזורי בדיקה. לעומת זאת, קתודות NMC המורכבות מגבישים בודדים רב-פנים או מפולי-קריסטלים מצופים הראו ירידה בקיבולת של 60% עד 88% לאורך אותו חיים.
חישובי בקנה מידה אטומי חושפים את המנגנון של הפחתת קיבול הקתודה. לדברי מריה צ'אנג, ננו -מדען ב- CNM, סביר יותר כי גבולות יאבדו אטומי חמצן כאשר הסוללה טעונה מאשר אזורים רחוקים מהם. אובדן זה של חמצן מוביל להשפלת מחזור התא.
"החישובים שלנו מראים כיצד הגבול יכול להוביל לשחרור החמצן בלחץ גבוה, מה שעלול להוביל להפחתת הביצועים", אמר צ'אן.
ביטול הגבול מונע את התפתחות החמצן, ובכך משפר את הבטיחות והיציבות המחזורית של הקתודה. מדידות התפתחות חמצן עם APS ומקור אור מתקדם במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקני לורנס ברקלי מאשרים מסקנה זו.
"כעת יש לנו הנחיות בהן יצרני הסוללות יכולים להשתמש בכדי לייצר חומרי קתודה שאין להם גבולות ופועלים בלחץ גבוה", אמר חליל אמין, עמיתו של ארגון אמריטוס. 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。""ההנחיות צריכות לחול על חומרי קתודה שאינם NMC."
מאמר על מחקר זה הופיע בכתב העת Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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, and זונגאי חן. מדענים מהמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (וואנלי יאנג, צ'ינגטיאן לי וזנגקינג ז'או), אוניברסיטת שיאמן (מעריץ ג'ינג-ג'ינג, לינג הואנג ושי-גאנג סאן) ואוניברסיטת צינגהואה (דונגשנג רן, שונינג פנג ומינגאו אויאנג).
אודות מרכז ארגון לחומרים ננו -חומרים המרכז לחומרים ננו, אחד מחמישה מרכזי המחקר הננו -טכנולוגיים באנרגיה בארה"ב, הוא מוסד המשתמש הלאומי המוביל למחקר ננו -תחומי -ננו -תחומי הנתמך על ידי משרד המדע של המחלקה לאנרגיה בארה"ב. יחד, NSRC מהווים חבילה של מתקנים משלימים המספקים לחוקרים יכולות חדישות לייצור, עיבוד, אפיון ומודלים של חומרים ננומטריים ומייצגים את ההשקעה התשתיתית הגדולה ביותר תחת יוזמת הננו-טכנולוגיה הלאומית. ה- NSRC ממוקם במעבדות המחלקה הלאומית לאנרגיה בארה"ב בארגונה, ברוקבן, לורנס ברקלי, אוק רידג ', סנדיה ולוס אלמוס. למידע נוסף על ה- NSRC DOE, בקרו בכתובת 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 all.
מקור הפוטון המתקדם של משרד האנרגיה האמריקני (APS) במעבדה הלאומית של ארגון הוא אחד ממקורות הרנטגן היצרניים ביותר בעולם. APS מספקת צילומי רנטגן בעצימות גבוהה לקהילת מחקר מגוונת במדע חומרים, כימיה, פיזיקה מרוכזת של חומר, חיים ומדעי הסביבה ומחקר יישומי. צילומי רנטגן אלה אידיאליים לחקר חומרים ומבנים ביולוגיים, חלוקת יסודות, מצבים כימיים, מגנטיים ואלקטרוניים, ומערכות הנדסיות חשובות מבחינה טכנית מכל הסוגים, מסוללות ועד חרירי מזרק דלק, החיוניים לכלכלה הלאומית שלנו, טכנולוגיה. ובגוף את בסיס הבריאות. בכל שנה יותר מ -5,000 חוקרים משתמשים ב- APs כדי לפרסם יותר מ -2,000 פרסומים המפרטים תגליות חשובות ופתרון מבני חלבון ביולוגיים חשובים יותר מאשר משתמשים בכל מרכז מחקר אחר של רנטגן. מדעני ומהנדסים של APS מיישמים טכנולוגיות חדשניות המהוות את הבסיס לשיפור הביצועים של מאיצי ומקורות אור. זה כולל מכשירי קלט המייצרים צילומי רנטגן בהירים במיוחד המוערכים על ידי חוקרים, עדשות הממוקדות צילומי רנטגן עד כמה ננומטרים, מכשירים שממקסמים את אופן האינטראקציה בין צילומי הרנטגן עם המדגם הנבדק, ואיסוף וניהול של מחקרי תגליות APS מייצרים נפחי נתונים ענקיים.
מחקר זה השתמש במשאבים מ- Advanced Photon Source, משרד המשרד למשתמש של אנרגיה למדע בארה"ב, המופעל על ידי המעבדה הלאומית של ארגון למשרד המשרד למדעי האנרגיה האמריקני במסגרת מספר חוזה DE-AC02-06CH11357.
המעבדה הלאומית של ארגון שואפת לפתור את הבעיות הדחופות של מדע וטכנולוגיה ביתית. כמעבדה הלאומית הראשונה בארצות הברית, ארגונה מבצעת מחקר בסיסי ויישומי מתקדמים כמעט בכל תחום מדעי. חוקרי ארגון עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרים ממאות חברות, אוניברסיטאות וסוכנויות פדרליות, מדינה ועירוניות כדי לעזור להם לפתור בעיות ספציפיות, לקדם את המנהיגות המדעית בארה"ב ולהכין את המדינה לעתיד טוב יותר. ארגון מעסיק עובדים ממעל 60 מדינות ומופעל על ידי אוצ'יקאגו ארגון, LLC של משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקני.
משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקני הוא התומך הגדול ביותר במדינה במחקר בסיסי במדעי הפיזיקה, ופועל לטיפול בכמה מהנושאים הדחופים ביותר בזמננו. למידע נוסף, בקרו בכתובת https: // Energy .Gov/Science ience.