محققان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) سابقه طولانی در اکتشافات پیشگامانه در زمینه باتری‌های لیتیوم-یونی دارند. بسیاری از این نتایج مربوط به کاتد باتری به نام NMC، نیکل منگنز و اکسید کبالت است. اکنون باتری‌ای با این کاتد، شورولت بولت را تغذیه می‌کند.
محققان آرگون به موفقیت دیگری در کاتدهای NMC دست یافته‌اند. ساختار ذرات کاتد ریز جدید این تیم می‌تواند باتری را بادوام‌تر و ایمن‌تر کند، قادر به کار در ولتاژهای بسیار بالا و ارائه بردهای طولانی‌تر باشد.
خلیل امین، عضو بازنشسته آرگون، می‌گوید: «ما اکنون راهنمایی‌هایی داریم که تولیدکنندگان باتری می‌توانند از آنها برای ساخت مواد کاتدی بدون مرز و تحت فشار بالا استفاده کنند.»
دستیار شیمیدان، گیلیانگ ژو، گفت: «کاتدهای NMC موجود، مانع بزرگی برای کار در ولتاژ بالا هستند.» با چرخه شارژ-دشارژ، عملکرد به دلیل تشکیل ترک در ذرات کاتد به سرعت کاهش می‌یابد. محققان باتری دهه‌هاست که به دنبال راه‌هایی برای ترمیم این ترک‌ها هستند.
یکی از روش‌های گذشته، استفاده از ذرات کروی ریز متشکل از ذرات بسیار کوچک‌تر بود. ذرات کروی بزرگ، پلی‌کریستالی هستند و حوزه‌های کریستالی با جهت‌گیری‌های مختلف دارند. در نتیجه، آنها چیزی دارند که دانشمندان آن را مرز دانه‌ای بین ذرات می‌نامند و می‌توانند باعث ترک خوردن باتری در طول یک چرخه شوند. برای جلوگیری از این امر، شو و همکاران آرگون قبلاً یک پوشش پلیمری محافظ در اطراف هر ذره ایجاد کرده بودند. این پوشش، ذرات کروی بزرگ و ذرات کوچکتر درون آنها را احاطه کرده است.
راه دیگر برای جلوگیری از این نوع ترک خوردگی، استفاده از ذرات تک کریستالی است. میکروسکوپ الکترونی از این ذرات نشان داد که آنها هیچ مرزی ندارند.
مشکل این تیم این بود که کاتدهای ساخته شده از پلی کریستال‌های پوشش داده شده و تک کریستال‌ها هنوز در طول چرخه ترک می‌خوردند. بنابراین، آنها تجزیه و تحلیل گسترده‌ای از این مواد کاتدی را در منبع فوتون پیشرفته (APS) و مرکز نانومواد (CNM) در مرکز علوم آرگون وزارت انرژی ایالات متحده انجام دادند.
آنالیزهای مختلف اشعه ایکس روی پنج بازوی APS (11-BM، 20-BM، 2-ID-D، 11-ID-C و 34-ID-E) انجام شد. مشخص شد آنچه دانشمندان تصور می‌کردند یک تک بلور است، همانطور که توسط میکروسکوپ الکترونی و اشعه ایکس نشان داده شده است، در واقع دارای مرز داخلی بود. میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری از CNMها این نتیجه‌گیری را تأیید کرد.
ونجون لیو، فیزیکدان، گفت: «وقتی به مورفولوژی سطح این ذرات نگاه کردیم، آنها مانند تک بلورها به نظر می‌رسیدند.» 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� <«但是我们 发现 边界 隐藏 在。با این حال، وقتی از تکنیکی به نام میکروسکوپ پراش اشعه ایکس سنکروترون و سایر تکنیک‌ها در APS استفاده کردیم، متوجه شدیم که مرزها در داخل پنهان شده‌اند.
نکته مهم این است که این تیم روشی را برای تولید تک کریستال‌ها بدون مرز توسعه داده است. آزمایش سلول‌های کوچک با این کاتد تک کریستالی در ولتاژهای بسیار بالا، افزایش 25 درصدی در ذخیره انرژی در واحد حجم را بدون عملاً بدون افت عملکرد در طول 100 چرخه آزمایش نشان داد. در مقابل، کاتدهای NMC متشکل از تک کریستال‌های چند رابط یا پلی کریستال‌های پوشش داده شده، افت ظرفیت 60 تا 88 درصدی را در طول عمر مشابه نشان دادند.
محاسبات در مقیاس اتمی، مکانیسم کاهش ظرفیت کاتد را آشکار می‌کند. به گفته ماریا چانگ، دانشمند نانو در CNM، هنگام شارژ باتری، احتمال از دست دادن اتم‌های اکسیژن در مرزها بیشتر از نواحی دورتر از آنهاست. این از دست دادن اکسیژن منجر به تخریب چرخه سلولی می‌شود.
چان گفت: «محاسبات ما نشان می‌دهد که چگونه این مرز می‌تواند منجر به آزاد شدن اکسیژن در فشار بالا شود که می‌تواند به کاهش عملکرد منجر شود.»
حذف مرز از آزاد شدن اکسیژن جلوگیری می‌کند و در نتیجه ایمنی و پایداری چرخه‌ای کاتد را بهبود می‌بخشد. اندازه‌گیری‌های آزاد شدن اکسیژن با APS و یک منبع نور پیشرفته در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده، این نتیجه‌گیری را تأیید می‌کند.
خلیل امین، عضو بازنشسته آرگون، گفت: «اکنون ما دستورالعمل‌هایی داریم که تولیدکنندگان باتری می‌توانند از آنها برای ساخت مواد کاتدی استفاده کنند که هیچ محدودیتی ندارند و در فشار بالا کار می‌کنند.» 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。"«دستورالعمل‌ها باید برای مواد کاتدی غیر از NMC اعمال شوند.»
مقاله ای در مورد این مطالعه در مجله Nature Energy منتشر شد. علاوه بر زو، امین، لیو و چانگ، نویسندگان آرگون عبارتند از ژیانگ لیو، ونکاتا سوریا چایتانیا کولورو، چن ژائو، شین‌وی ژو، یوزی لیو، لیانگ یینگ، امین دالی، یانگ رن، ونچیان ژو، جونجینگ دنگ، اینهوی هوانگ، چنگ‌جونگ، چنگ‌جونگ‌ها، ژونژونگ ها دانشمندانی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (وانلی یانگ، کینگتیان لی، و زنگ کینگ ژو)، دانشگاه شیامن (جینگ-جینگ فن، لینگ هوانگ و شی گانگ سان) و دانشگاه تسینگ‌هوا (دونگ‌شنگ رن، ژونینگ فنگ و مینگائو اویانگ).
درباره مرکز نانومواد آرگون مرکز نانومواد، یکی از پنج مرکز تحقیقات نانوفناوری وزارت انرژی ایالات متحده، موسسه ملی برتر برای تحقیقات میان‌رشته‌ای نانومقیاس است که توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می‌شود. NSRCها در کنار هم مجموعه‌ای از امکانات مکمل را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، توصیف و مدل‌سازی مواد نانومقیاس در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگترین سرمایه‌گذاری زیرساختی تحت طرح ملی نانوفناوری را نشان می‌دهند. NSRC در آزمایشگاه‌های ملی وزارت انرژی ایالات متحده در آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لوس آلاموس واقع شده است. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، به آدرس https://science.osti.gov/Us–Fa–ci–lit–ie–s/Us– er–Fa–ci–l–it–ie–ie–s–at–a–glance مراجعه کنید.
منبع فوتون پیشرفته (APS) وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین منابع پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با شدت بالا را برای جامعه تحقیقاتی متنوعی در علوم مواد، شیمی، فیزیک ماده چگال، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی فراهم می‌کند. این پرتوهای ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی، توزیع عناصر، حالت‌های شیمیایی، مغناطیسی و الکترونیکی و سیستم‌های مهندسی مهم فنی از انواع مختلف، از باتری‌ها گرفته تا نازل‌های انژکتور سوخت، که برای اقتصاد ملی، فناوری و سلامت بدن ما حیاتی هستند، ایده‌آل هستند. هر ساله، بیش از 5000 محقق از APS برای انتشار بیش از 2000 نشریه استفاده می‌کنند که جزئیات اکتشافات مهم و حل ساختارهای پروتئین بیولوژیکی مهم‌تری را نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی پرتو ایکس دیگری ارائه می‌دهند. دانشمندان و مهندسان APS در حال پیاده‌سازی فناوری‌های نوآورانه‌ای هستند که مبنای بهبود عملکرد شتاب‌دهنده‌ها و منابع نوری هستند. این شامل دستگاه‌های ورودی می‌شود که اشعه ایکس بسیار درخشانی تولید می‌کنند که مورد توجه محققان است، لنزهایی که اشعه ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل اشعه ایکس با نمونه مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند و جمع‌آوری و مدیریت اکتشافات APS. تحقیقات حجم عظیمی از داده‌ها را تولید می‌کند.
این مطالعه از منابع Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری علوم وزارت انرژی ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی آرگون برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده تحت شماره قرارداد DE-AC02-06CH11357 اداره می‌شود، استفاده کرد.
آزمایشگاه ملی آرگون تلاش می‌کند تا مشکلات مبرم علم و فناوری داخلی را حل کند. آرگون، به عنوان اولین آزمایشگاه ملی در ایالات متحده، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرفته‌ای را تقریباً در هر رشته علمی انجام می‌دهد. محققان آرگون از نزدیک با محققان صدها شرکت، دانشگاه و آژانس‌های فدرال، ایالتی و شهری همکاری می‌کنند تا به آنها در حل مشکلات خاص، پیشبرد رهبری علمی ایالات متحده و آماده‌سازی کشور برای آینده‌ای بهتر کمک کنند. آرگون کارمندانی از بیش از ۶۰ کشور جهان را استخدام می‌کند و توسط UChicago Argonne, LLC از دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود.
دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در کشور است که برای رسیدگی به برخی از مبرم‌ترین مسائل زمان ما تلاش می‌کند. برای اطلاعات بیشتر، به آدرس https://​energy​.gov/​science​ience مراجعه کنید.