לחוקרים במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) יש היסטוריה ארוכה של גילויים חלוציים בתחום סוללות הליתיום-יון. רבות מהתוצאות הללו הן עבור קתודה הסוללה, הנקראת NMC, ניקל מנגן ותחמוצת קובלט. סוללה עם קתודה זו מפעילה כעת את שברולט בולט.
חוקרי ארגון השיגו פריצת דרך נוספת בקתודות NMC. מבנה חלקיקי הקתודה הזעירים החדש של הצוות יכול להפוך את הסוללה ליותר עמידה ובטוחה יותר, מסוגלת לפעול במתחים גבוהים מאוד ולספק טווחי נסיעה ארוכים יותר.
"כעת יש לנו הנחיות שיצרני סוללות יכולים להשתמש בהן לייצור חומרים קתודיים בלחץ גבוה ללא גבולות", חליל אמין, עמית ארגון אמריטוס.
"קתודות NMC קיימות מהוות מכשול גדול לעבודה במתח גבוה", אמר עוזר הכימאי Guiliang Xu. עם מחזור מטען-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 שהורכבו מחלקיקים הרבה יותר קטנים. חלקיקים כדוריים גדולים הם רב גבישיים, עם תחומים גבישיים בעלי כיוונים שונים. כתוצאה מכך, יש להם מה שמדענים מכנים גבולות גרגרים בין חלקיקים, שעלולים לגרום לסוללה להיסדק במהלך מחזור. כדי למנוע זאת, עמיתיהם של שו ו-Argonne פיתחו בעבר ציפוי פולימרי מגן סביב כל חלקיק. ציפוי זה מקיף חלקיקים כדוריים גדולים וחלקיקים קטנים יותר בתוכם.
דרך נוספת להימנע מסוג זה של פיצוח היא שימוש בחלקיקי גביש בודדים. מיקרוסקופיה אלקטרונית של חלקיקים אלה הראתה שאין להם גבולות.
הבעיה של הצוות הייתה שקתודות העשויות מפולי-גבישים מצופים וגבישים בודדים עדיין נסדקו במהלך רכיבה על אופניים. לכן, הם ערכו ניתוח מקיף של חומרי קתודה אלה במקור הפוטון המתקדם (APS) ובמרכז לננו-חומרים (CNM) במרכז המדע של משרד האנרגיה של ארגון.
ניתוחי רנטגן שונים בוצעו בחמש זרועות APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C ו-34-ID-E). מסתבר שלמה שמדענים חשבו שהוא גביש בודד, כפי שהוכח במיקרוסקופ אלקטרונים וקרני רנטגן, היה למעשה גבול בפנים. מיקרוסקופ אלקטרונים של סריקה והעברה של CNMs אישרה 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 射线衍射显微镜皻倌木微镜皻倌朌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 显微镜 皜 旌们 发现 边界 隐藏 在。”"עם זאת, כשהשתמשנו בטכניקה שנקראת מיקרוסקופ דיפרקציית רנטגן סינכרוטרון וטכניקות אחרות ב-APS, גילינו שהגבולות הוסתרו בפנים."
חשוב לציין, הצוות פיתח שיטה לייצור גבישים בודדים ללא גבולות. בדיקת תאים קטנים עם קתודה חד-גבישית זו במתחים גבוהים מאוד הראתה עלייה של 25% באחסון האנרגיה ליחידת נפח, כמעט ללא הפסד בביצועים מעל 100 מחזורי בדיקה. לעומת זאת, קתודות NMC המורכבות מגבישים בודדים מרובי-ממשק או מפולי-גבישים מצופים הראו ירידה בקיבולת של 60% עד 88% במהלך אותו חיים.
חישובים בקנה מידה אטומי חושפים את המנגנון של הפחתת קיבול הקתודה. לדברי מריה צ'אנג, מדענית ננו ב-CNM, יש סיכוי גבוה יותר שגבולות יאבדו אטומי חמצן כשהסוללה נטענת מאשר אזורים רחוקים מהם. אובדן חמצן זה מוביל לפירוק מחזור התא.
"החישובים שלנו מראים כיצד הגבול יכול להוביל לשחרור חמצן בלחץ גבוה, מה שיכול להוביל לביצועים מופחתים", אמר צ'אן.
ביטול הגבול מונע התפתחות חמצן, ובכך משפר את הבטיחות והיציבות המחזורית של הקתודה. מדידות התפתחות חמצן עם APS ומקור אור מתקדם במעבדה הלאומית לורנס ברקלי של משרד האנרגיה האמריקאי מאשרות מסקנה זו.
"כעת יש לנו קווים מנחים שיצרני סוללות יכולים להשתמש בהם לייצור חומרים קתודיים שאין להם גבולות ופועלים בלחץ גבוה", אמר חליל אמין, עמית 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。”"הנחיות צריכות לחול על חומרים קתודיים 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, צ'נג'ון סאן, טאו ג'ואו, מינג דו וזונגהאי צ'ן. 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 מחמישה מרכזי מחקר ננו-טכנולוגיה של משרד האנרגיה של ארה"ב, הוא מוסד המשתמש הלאומי המוביל למחקר בינתחומי בקנה מידה ננו-דיסציפלינרי הנתמך על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב. יחד, NSRCs יוצרים חבילה של מתקנים משלימים המספקים לחוקרים יכולות מתקדמות לייצור, עיבוד, אפיון ומידול חומרים ננומטריים ומייצגים את ההשקעה הגדולה ביותר בתשתית 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 NSRC DOE, בקר בכתובת https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​Fa​c​ilit​​​ie​s​/​Us​ er​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​במבט אחד.
מקור הפוטון המתקדם (APS) של משרד האנרגיה האמריקני במעבדה הלאומית של ארגון הוא אחד ממקורות קרני הרנטגן היצרניים ביותר בעולם. APS מספקת צילומי רנטגן בעוצמה גבוהה לקהילת מחקר מגוונת במדעי החומרים, כימיה, פיזיקת החומר המעובה, מדעי החיים והסביבה ומחקר יישומי. קרני רנטגן אלו אידיאליות לחקר חומרים ומבנים ביולוגיים, הפצת יסודות, מצבים כימיים, מגנטיים ואלקטרוניים, ומערכות הנדסיות חשובות מבחינה טכנית מכל הסוגים, החל מסוללות ועד חרירי הזרקת דלק, שהן חיוניות לכלכלה הלאומית שלנו, לטכנולוגיה. . וגוף הבסיס לבריאות. 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 אחר למחקר רנטגן. מדענים ומהנדסי APS מיישמים טכנולוגיות חדשניות המהוות את הבסיס לשיפור הביצועים של מאיצים ומקורות אור. זה כולל התקני קלט המייצרים קרני רנטגן בהירות במיוחד המוערכות על ידי חוקרים, עדשות הממקדות קרני רנטגן עד כמה ננומטרים, מכשירים הממקסמים את הדרך שבה קרני רנטגן מתקשרות עם המדגם הנחקר, ואיסוף וניהול של תגליות APS מחקר מייצר נפחי נתונים עצומים.
מחקר זה השתמש במשאבים מ-Advanced Photon Source, מרכז המשתמשים של משרד האנרגיה של משרד האנרגיה של ארה"ב המופעל על ידי המעבדה הלאומית Argonne עבור משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב תחת חוזה מספר DE-AC02-06CH11357.
המעבדה הלאומית של Argonne שואפת לפתור את הבעיות הדוחקות של המדע והטכנולוגיה המקומית. כמעבדה הלאומית הראשונה בארצות הברית, Argonne עורכת מחקר בסיסי ויישומי חדשני כמעט בכל דיסציפלינה מדעית. חוקרי ארגון עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרים ממאות חברות, אוניברסיטאות וסוכנויות פדרליות, מדינתיות ועירוניות כדי לעזור להם לפתור בעיות ספציפיות, לקדם את ההנהגה המדעית בארה"ב ולהכין את האומה לעתיד טוב יותר. Argonne מעסיקה עובדים מלמעלה מ-60 מדינות ומופעלת על ידי UChicago Argonne, LLC ממשרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי.
משרד המדע של מחלקת האנרגיה של ארה"ב הוא התומך הגדול ביותר במדינה במחקר בסיסי במדעי הפיזיקה, הפועל כדי לטפל בכמה מהנושאים הדחופים ביותר של זמננו. למידע נוסף, בקר בכתובת https://​energy​.gov/​science​ience.