לחוקרים במעבדה הלאומית ארגון של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) היסטוריה ארוכה של תגליות חלוציות בתחום סוללות ליתיום-יון. רבות מתוצאות אלו הן עבור קתודת הסוללה, הנקראת NMC, ניקל מנגן ותחמוצת קובלט. סוללה עם קתודה זו מניעה כעת את שברולט בולט.
חוקרי ארגון השיגו פריצת דרך נוספת בקתודות NMC. מבנה חלקיקי הקתודה הזעירים החדש של הצוות יכול להפוך את הסוללה לעמידה ובטוחה יותר, מסוגלת לפעול במתחים גבוהים מאוד ולספק טווחי נסיעה ארוכים יותר.
"כעת יש לנו הנחיות שיצרני סוללות יכולים להשתמש בהן כדי לייצר חומרי קתודה ללא גבולות בלחץ גבוה", ד"ר חליל אמין, עמית אמריטוס של ארגון.
"קתודות NMC קיימות מהוות מכשול משמעותי לעבודה במתח גבוה", אמר כימאי עוזר גויליאנג שו. עם מחזורי טעינה-פריקה, הביצועים יורדים במהירות עקב היווצרות סדקים בחלקיקי הקתודה. במשך עשרות שנים, חוקרי סוללות חיפשו דרכים לתקן את הסדקים הללו.
שיטה אחת בעבר השתמשה בחלקיקים כדוריים זעירים המורכבים מחלקיקים רבים וקטנים בהרבה. חלקיקים כדוריים גדולים הם רב-גבישיים, עם תחומים גבישיים בעלי אוריינטציות שונות. כתוצאה מכך, נוצרים מה שמדענים מכנים גבולות גרגירים בין החלקיקים, מה שעלול לגרום לסוללה להיסדק במהלך מחזור. כדי למנוע זאת, עמיתיהם של שו וארגון פיתחו בעבר ציפוי פולימרי מגן סביב כל חלקיק. ציפוי זה מקיף חלקיקים כדוריים גדולים וחלקיקים קטנים יותר בתוכם.
דרך נוספת להימנע מסוג זה של סדקים היא שימוש בחלקיקי גביש יחיד. מיקרוסקופ אלקטרונים של חלקיקים אלה הראה שאין להם גבולות.
הבעיה של הצוות הייתה שקתודות העשויות מפוליקריסטלים מצופים ומגבישים יחידים עדיין נסדקו במהלך המחזור. לכן, הם ערכו ניתוח מקיף של חומרי הקתודה הללו במקור הפוטונים המתקדם (APS) ובמרכז לננו-חומרים (CNM) במרכז המדע ארגון של משרד האנרגיה האמריקאי.
מגוון ניתוחי רנטגן בוצעו על חמש זרועות APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ו-34-ID-E). מסתבר שמה שמדענים חשבו שהוא גביש יחיד, כפי שהוכח על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים וקרני רנטגן, למעשה היה בעל גבול בתוכו. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק ומיקרוסקופ אלקטרונים חודר של CNMs אישרו מסקנה זו.
"כאשר הסתכלנו על המורפולוגיה של פני השטח של החלקיקים האלה, 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 显微镜 的 旊我们 发现 边界 隐藏 在。”"עם זאת, כאשר השתמשנו בטכניקה הנקראת מיקרוסקופיית דיפרקציית קרני רנטגן סינכרוטרון וטכניקות אחרות ב-APS, גילינו שהגבולות היו חבויים בפנים."
חשוב לציין, הצוות פיתח שיטה לייצור גבישים בודדים ללא גבולות. בדיקת תאים קטנים עם קתודה זו בעלת גביש יחיד במתחים גבוהים מאוד הראתה עלייה של 25% באגירת אנרגיה ליחידת נפח, כמעט ללא אובדן ביצועים במשך 100 מחזורי בדיקה. לעומת זאת, קתודות NMC המורכבות מגבישים בודדים מרובי ממשקים או פולי-גבישים מצופים הראו ירידה בקיבולת של 60% עד 88% במהלך אותה אורך חיים.
חישובים בקנה מידה אטומי חושפים את מנגנון הפחתת קיבול הקתודה. לדברי מריה צ'אנג, ננו-מדענית ב-CNM, גבולות נוטים יותר לאבד אטומי חמצן כאשר הסוללה נטענת מאשר אזורים רחוקים יותר מהם. אובדן חמצן זה מוביל להידרדרות מחזור התא.
"החישובים שלנו מראים כיצד הגבול יכול להוביל לשחרור חמצן בלחץ גבוה, מה שעלול להוביל לביצועים מופחתים", אמר צ'אן.
ביטול הגבול מונע התפתחות חמצן, ובכך משפר את הבטיחות והיציבות המחזורית של הקתודה. מדידות התפתחות חמצן באמצעות APS ומקור אור מתקדם במעבדה הלאומית לורנס ברקלי של משרד האנרגיה האמריקאי מאשרות מסקנה זו.
"כעת יש לנו הנחיות שיצרני סוללות יכולים להשתמש בהן כדי לייצר חומרי קתודה ללא גבולות הפועלים בלחץ גבוה", אמר חליל אמין, עמית אמריטוס בארגון. 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. בנוסף לשו, אמין, ליו וצ'אנג, המחברים של ארגון הם 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 Mingen, Tao Zhou,. מדענים מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי (וואנלי יאנג, צ'ינגטיאן לי וזנגצ'ינג ז'ואו), אוניברסיטת שיאמן (ג'ינג-ג'ינג פאן, לינג הואנג ושי-גאנג סאן) ומאוניברסיטת טסינגואה (דונגשנג רן, שונינג פנג ומינגאו אויאנג).
אודות מרכז ארגון לננו-חומרים המרכז לננו-חומרים, אחד מחמשת מרכזי המחקר הננוטכנולוגיה של משרד האנרגיה האמריקאי, הוא מוסד המשתמשים הלאומי המוביל למחקר ננומטרי רב-תחומי הנתמך על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי. יחד, מרכזי הננו-רפואיים (NSRCs) יוצרים חבילה של מתקנים משלימים המספקים לחוקרים יכולות חדישות לייצור, עיבוד, אפיון ומידול חומרים ננומטריים, ומייצגים את ההשקעה התשתית הגדולה ביותר במסגרת היוזמה הלאומית לננוטכנולוגיה. ה-NSRC ממוקם במעבדות הלאומיות של משרד האנרגיה האמריקאי בארגון, ברוקהייבן, לורנס ברקלי, אוק רידג', סנדיה ולוס אלמוס. למידע נוסף על מרכז ארגון לננו-חומרים, בקרו באתר https://science.osti.gov/User-Facililitie s/User-Facililitie s-at-a-Glance.
מקור הפוטונים המתקדם (APS) של משרד האנרגיה האמריקאי במעבדה הלאומית ארגון הוא אחד ממקורות קרני הרנטגן היעילים ביותר בעולם. APS מספקת קרני רנטגן בעוצמה גבוהה לקהילת מחקר מגוונת במדעי החומרים, כימיה, פיזיקת חומר מעובה, מדעי החיים והסביבה ומחקר יישומי. קרני רנטגן אלו אידיאליות לחקר חומרים ומבנים ביולוגיים, התפלגות יסודות, מצבים כימיים, מגנטיים ואלקטרוניים, ומערכות הנדסיות חשובות מבחינה טכנית מכל הסוגים, מסוללות ועד חרירי הזרקת דלק, החיוניים לכלכלה הלאומית שלנו, לטכנולוגיה ולגוף - הבסיס לבריאות. מדי שנה, יותר מ-5,000 חוקרים משתמשים ב-APS כדי לפרסם יותר מ-2,000 פרסומים המפרטים תגליות חשובות ופתרון מבנים ביולוגיים חשובים יותר של חלבונים מאשר משתמשים בכל מרכז מחקר אחר בתחום קרני הרנטגן. מדענים ומהנדסים של APS מיישמים טכנולוגיות חדשניות המהוות את הבסיס לשיפור ביצועי מאיצים ומקורות אור. זה כולל התקני קלט המייצרים קרני רנטגן בהירות במיוחד המוערכות על ידי חוקרים, עדשות הממקדות קרני רנטגן עד לננומטרים ספורים, מכשירים הממקסמים את האופן שבו קרני רנטגן מקיימות אינטראקציה עם הדגימה הנחקרת, ואיסוף וניהול של תגליות APS. מחקר מייצר כמויות נתונים עצומות.
מחקר זה השתמש במשאבים מ-Advanced Photon Source, מרכז משתמשים של משרד האנרגיה האמריקאי למדע המופעל על ידי המעבדה הלאומית ארגון עבור משרד האנרגיה האמריקאי למדע תחת מספר חוזה DE-AC02-06CH11357.
המעבדה הלאומית ארגון שואפת לפתור את הבעיות הדוחקות של המדע והטכנולוגיה המקומיים. כמעבדה הלאומית הראשונה בארצות הברית, ארגון עורכת מחקר בסיסי ויישומי חדשני כמעט בכל תחום מדעי. חוקרי ארגון עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרים ממאות חברות, אוניברסיטאות וסוכנויות פדרליות, מדינתיות ועירוניות כדי לסייע להם לפתור בעיות ספציפיות, לקדם את המנהיגות המדעית בארה"ב ולהכין את האומה לעתיד טוב יותר. ארגון מעסיקה עובדים ממעל 60 מדינות ומופעלת על ידי UChicago Argonne, LLC ממשרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי.
משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב הוא התומך הגדול ביותר במחקר בסיסי במדעי הפיזיקה בארה"ב, ופועל לטפל בכמה מהסוגיות הדוחקות ביותר של זמננו. למידע נוסף, בקרו באתר https://energy.gov/scienceience.