محققان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) سابقه طولانی در اکتشافات پیشگام در زمینه باتری های لیتیوم یون دارند. بسیاری از این نتایج مربوط به کاتد باتری به نام NMC، نیکل منگنز و اکسید کبالت است. یک باتری با این کاتد اکنون شورولت بولت را تامین می کند.
محققان آرگون به پیشرفت دیگری در کاتدهای NMC دست یافته اند. ساختار ذرات کاتدی کوچک جدید این تیم می تواند باتری را بادوام تر و ایمن تر کند و بتواند در ولتاژهای بسیار بالا کار کند و محدوده سفر طولانی تری را فراهم کند.
خلیل امین، همکار بازنشسته Argonne، "اکنون راهنمایی هایی داریم که تولید کنندگان باتری می توانند برای تولید مواد کاتدی بدون حاشیه و فشار بالا استفاده کنند."
Guiliang Xu، دستیار شیمیدان، گفت: «کاتدهای NMC موجود مانع بزرگی برای کار با ولتاژ بالا هستند. با چرخه شارژ-تخلیه، عملکرد به سرعت به دلیل ایجاد ترک در ذرات کاتد کاهش می یابد. برای دهه ها، محققان باتری به دنبال راه هایی برای تعمیر این ترک ها بودند.
یکی از روش ها در گذشته از ذرات کروی ریز تشکیل شده از ذرات بسیار کوچکتر استفاده می کرد. ذرات کروی بزرگ چند کریستالی هستند، با حوزه های کریستالی با جهت گیری های مختلف. در نتیجه، آن‌ها چیزی را دارند که دانشمندان آن را مرز دانه‌ای بین ذرات می‌نامند، که می‌تواند باعث ترک خوردن باتری در طول یک چرخه شود. برای جلوگیری از این امر، همکاران Xu و Argonne 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 خوردن، استفاده از ذرات تک کریستال است. میکروسکوپ الکترونی این ذرات نشان داد که هیچ مرزی ندارند.
مشکل تیم این بود که کاتدهای ساخته شده از پلی کریستال های پوشش داده شده و تک کریستال ها هنوز در طول دوچرخه سواری ترک می خوردند. بنابراین، آنها تجزیه و تحلیل گسترده ای از این مواد کاتدی را در منبع فوتون پیشرفته (APS) و مرکز نانومواد (CNM) در مرکز علمی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده انجام دادند.
آنالیزهای مختلف اشعه ایکس بر روی پنج بازوی APS (11-BM، 20-BM، 2-ID-D، 11-ID-C و 34-ID-E) انجام شد. معلوم شد که آنچه دانشمندان فکر می‌کردند یک بلور واحد است، همانطور که توسط میکروسکوپ الکترونی و پرتو ایکس نشان داده شده است، در واقع یک مرز درونی داشت. میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری CNM ها این نتیجه را تایید کرد.
ونجون لیو، فیزیکدان، می گوید: «وقتی به مورفولوژی سطح این ذرات نگاه کردیم، شبیه تک بلورها به نظر می رسیدند. 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射线衍射显微镜的技术发现边界隐藏在内部。 â� <“但是们 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 بلورهای بدون مرز ایجاد کرده است. آزمایش سلول‌های کوچک با این کاتد تک کریستالی در ولتاژهای بسیار بالا، افزایش ۲۵ درصدی ذخیره‌سازی انرژی در واحد حجم را نشان داد که عملاً در ۱۰۰ سیکل آزمایشی هیچ افتی در کارایی نداشت. در مقابل، کاتدهای NMC متشکل از تک بلورهای چند رابط یا پلی کریستال های پوشش داده شده کاهش ظرفیت 60٪ تا 88٪ را در طول عمر مشابه نشان دادند.
محاسبات مقیاس اتمی مکانیسم کاهش ظرفیت کاتد را نشان می دهد. به گفته ماریا چانگ، دانشمند نانویی در CNM، مرزها در هنگام شارژ شدن باتری بیشتر از مناطق دورتر از آنها اتم های اکسیژن را از دست می دهند. این از دست دادن اکسیژن منجر به تخریب چرخه سلولی می شود.
چان گفت: "محاسبات ما نشان می دهد که چگونه این مرز می تواند منجر به آزاد شدن اکسیژن در فشار بالا شود که می تواند منجر به کاهش عملکرد شود."
حذف مرز از تکامل اکسیژن جلوگیری می کند و در نتیجه ایمنی و ثبات چرخه ای کاتد را بهبود می بخشد. اندازه گیری تکامل اکسیژن با APS و یک منبع نور پیشرفته در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده این نتیجه را تایید می کند.
خلیل امین، همکار بازنشسته آرگون، گفت: «اکنون ما دستورالعمل هایی داریم که سازندگان باتری می توانند برای ساخت مواد کاتدی که هیچ مرزی ندارند و در فشار بالا کار می کنند، استفاده کنند. 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。""راهنماها باید برای مواد کاتدی غیر از NMC اعمال شود."
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، ونکیان ژو، جونجینگ دنگ، اینهوی هوانگ، Chengjun Sun، Tao Zhou، Ming Du، و Zonghai Chen. 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 تحقیقاتی فناوری نانو وزارت انرژی ایالات متحده، برترین موسسه ملی کاربر برای تحقیقات بین رشته ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. NSRCها با هم مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، مشخصه‌سازی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگترین سرمایه‌گذاری زیرساختی تحت طرح ملی نانوتکنولوژی را نشان می‌دهند. NSRC در آزمایشگاه های ملی وزارت انرژی ایالات متحده در آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لس آلاموس واقع شده است. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، از https://science.osti.gov/User—​Fa​cilit​ies​/Us دیدن کنید. er-fac il itieee-s-a-a-glance.
منبع فوتون پیشرفته وزارت انرژی ایالات متحده (APS) در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده ترین منابع اشعه ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با شدت بالا را به جامعه تحقیقاتی متنوعی در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی ارائه می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی، توزیع عناصر، حالت‌های شیمیایی، مغناطیسی و الکترونیکی، و سیستم‌های مهندسی مهم فنی از همه نوع، از باتری‌ها تا نازل‌های انژکتور سوخت، که برای اقتصاد ملی، فناوری حیاتی هستند، ایده‌آل هستند. . و بدن اساس سلامتی هر سال، بیش از 5000 محقق از APS برای انتشار بیش از 2000 نشریه با جزئیات اکتشافات مهم و حل ساختارهای پروتئین بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران سایر مراکز تحقیقاتی اشعه ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال پیاده سازی فناوری های نوآورانه ای هستند که مبنایی برای بهبود عملکرد شتاب دهنده ها و منابع نور هستند. این شامل دستگاه‌های ورودی است که پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و جمع‌آوری و مدیریت اکتشافات APS. تحقیقات حجم عظیمی از داده ها را تولید می کند.
این مطالعه از منابع Advanced Photon Source، یک مرکز کاربر دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne برای اداره علوم وزارت انرژی ایالات متحده تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 اداره می‌شود، استفاده کرد.
آزمایشگاه ملی آرگون در تلاش است تا مشکلات مبرم علم و فناوری داخلی را حل کند. Argonne به عنوان اولین آزمایشگاه ملی در ایالات متحده، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرفته را تقریباً در هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص را حل کنند، رهبری علمی ایالات متحده را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. Argonne کارمندانی از بیش از 60 کشور را استخدام می کند و توسط UChicago Argonne، LLC از دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در کشور است که برای رسیدگی به برخی از مبرم ترین مسائل زمان ما تلاش می کند. برای اطلاعات بیشتر، به https://energy.gov/​science​ience مراجعه کنید.