นักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ของกระทรวงพลังงาน (DOE) ของสหรัฐอเมริกามีประวัติอันยาวนานของการค้นพบผู้บุกเบิกในสาขาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ผลลัพธ์เหล่านี้จำนวนมากมีไว้สำหรับแคโทดแบตเตอรี่ที่เรียกว่า NMC, แมงกานีสนิกเกิลและโคบอลต์ออกไซด์ แบตเตอรี่ที่มีแคโทดนี้ให้พลังกับสลักเกลียวเชฟโรเลต
นักวิจัยของ Argonne ประสบความสำเร็จอีกครั้งใน NMC Cathodes โครงสร้างอนุภาคแคโทดขนาดเล็กใหม่ของทีมสามารถทำให้แบตเตอรี่ทนทานและปลอดภัยยิ่งขึ้นสามารถทำงานได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากและให้ช่วงการเดินทางที่ยาวนานขึ้น
“ ตอนนี้เรามีคำแนะนำว่าผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถใช้เพื่อสร้างวัสดุแคโทดที่มีแรงดันสูงและไร้ขอบ” Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus
“ แคโทด NMC ที่มีอยู่นำเสนออุปสรรค์สำคัญสำหรับงานแรงดันสูง” ผู้ช่วยนักเคมี Guiliang Xu กล่าว ด้วยการปั่นจักรยานที่มีค่าใช้จ่ายลดลงประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการก่อตัวของรอยแตกในอนุภาคแคโทด เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิจัยแบตเตอรี่กำลังมองหาวิธีซ่อมแซมรอยแตกเหล่านี้
วิธีหนึ่งในอดีตใช้อนุภาคทรงกลมขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก อนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่เป็น polycrystalline ที่มีโดเมนผลึกของทิศทางต่างๆ เป็นผลให้พวกเขามีสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าขอบเขตของเมล็ดระหว่างอนุภาคซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่แตกในระหว่างรอบ เพื่อป้องกันสิ่งนี้เพื่อนร่วมงานของ Xu และ Argonne ได้พัฒนาการเคลือบโพลีเมอร์ป้องกันรอบ ๆ อนุภาคแต่ละอนุภาค การเคลือบนี้ล้อมรอบอนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่และอนุภาคขนาดเล็กภายใน
อีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวแบบนี้คือการใช้อนุภาคผลึกเดี่ยว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอนุภาคเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าพวกมันไม่มีขอบเขต
ปัญหาสำหรับทีมคือแคโทดที่ทำจาก polycrystal ที่เคลือบและผลึกเดี่ยวยังคงแตกระหว่างการขี่จักรยาน ดังนั้นพวกเขาจึงทำการวิเคราะห์อย่างกว้างขวางของวัสดุแคโทดเหล่านี้ที่แหล่งโฟตอนขั้นสูง (APS) และศูนย์วัสดุนาโน (CNM) ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์อาร์กอนน์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา
การวิเคราะห์รังสีเอกซ์ต่าง ๆ ได้ดำเนินการบนแขน APS ห้าตัว (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C และ 34-ID-E) ปรากฎว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นคริสตัลเดี่ยวดังที่แสดงโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์จริง ๆ แล้วมีขอบเขตภายใน กล้องจุลทรรศน์การสแกนและการส่งสัญญาณอิเล็กตรอนของ CNMS ยืนยันข้อสรุปนี้
“ เมื่อเราดูสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของอนุภาคเหล่านี้พวกเขาดูเหมือนผลึกเดี่ยว” นักฟิสิกส์ Wenjun Liu กล่าว 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。我们发现边界隐藏在内部。” Â� <“ 但是， 当在使用种加速器加速器加速器时，，，，，，，，，，，，，“ อย่างไรก็ตามเมื่อเราใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์การเลี้ยวเบนของ Synchrotron X-ray และเทคนิคอื่น ๆ ที่ APS เราพบว่าขอบเขตถูกซ่อนอยู่ภายใน”
ที่สำคัญทีมได้พัฒนาวิธีการผลิตผลึกเดี่ยวโดยไม่มีขอบเขต การทดสอบเซลล์ขนาดเล็กด้วยแคโทดผลึกเดี่ยวที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากแสดงให้เห็นว่าการจัดเก็บพลังงานเพิ่มขึ้น 25% ต่อปริมาตรหน่วยโดยแทบไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพมากกว่า 100 รอบการทดสอบ ในทางตรงกันข้ามแคโทด NMC ประกอบด้วยผลึกเดี่ยวหลายอินเตอร์เฟสหรือโพลีคริสตัลเคลือบแสดงความจุลดลง 60% ถึง 88% ตลอดอายุการใช้งานเดียวกัน
การคำนวณมาตราส่วนอะตอมเผยกลไกการลดความจุแคโทด จากข้อมูลของมาเรียชางนักแสดงนาโนที่ CNM ขอบเขตมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอะตอมออกซิเจนเมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จมากกว่าพื้นที่ไกลออกไปจากพวกเขา การสูญเสียออกซิเจนนี้นำไปสู่การย่อยสลายของวัฏจักรของเซลล์
“ การคำนวณของเราแสดงให้เห็นว่าขอบเขตสามารถนำไปสู่การปล่อยออกซิเจนที่แรงดันสูงได้อย่างไรซึ่งสามารถนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ลดลงได้” จันกล่าว
การกำจัดขอบเขตป้องกันการวิวัฒนาการของออกซิเจนซึ่งจะเป็นการปรับปรุงความปลอดภัยและความเสถียรของวงจรของแคโทด การวัดวิวัฒนาการออกซิเจนด้วย APS และแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบิร์กลีย์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกายืนยันข้อสรุปนี้
“ ตอนนี้เรามีแนวทางที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถใช้เพื่อทำวัสดุแคโทดที่ไม่มีขอบเขตและทำงานด้วยแรงดันสูง” คาลิลอามินอาร์กอนเพื่อนกิตติคุณกล่าว 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。”“ แนวทางควรใช้กับวัสดุแคโทดอื่นที่ไม่ใช่ NMC”
บทความเกี่ยวกับการศึกษานี้ปรากฏในวารสาร Nature Energy นอกจาก Xu, Amin, Liu และ Chang, ผู้เขียน Argonne คือ Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng Zonghai Chen นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบิร์กลีย์ (Wanli Yang, Qingtian Li, และ Zengqing Zhuo), มหาวิทยาลัยเซียนีน (แฟนจิงจิง, หลิงหวางและชิ-แก๊งซัน) และมหาวิทยาลัย Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng
เกี่ยวกับศูนย์อาร์กอนน์สำหรับวัสดุนาโนศูนย์นาโนวัสดุนาโนซึ่งเป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาเป็นสถาบันผู้ใช้ระดับชาติระดับสูงสำหรับการวิจัยระดับนาโนสหวิทยาการที่ได้รับการสนับสนุนโดยสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ร่วมกัน NSRCs เป็นชุดของสิ่งอำนวยความสะดวกเสริมที่ให้ความสามารถที่ทันสมัยนักวิจัยสำหรับการประดิษฐ์การแปรรูปลักษณะและการสร้างแบบจำลองวัสดุระดับนาโนและเป็นตัวแทนการลงทุนโครงสร้างพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดภายใต้การริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ NSRC ตั้งอยู่ที่กระทรวงพลังงานแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาใน Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia และ Los Alamos สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ NSRC DOE เยี่ยมชม https: // Science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it เช่น at -a เหลือบ
แหล่งโฟตอนขั้นสูงของกระทรวงพลังงาน (APS) ของกระทรวงพลังงานที่ Argonne National Laboratory เป็นหนึ่งในแหล่งเอ็กซ์เรย์ที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในโลก APS ให้บริการเอ็กซ์เรย์ที่มีความเข้มสูงแก่ชุมชนการวิจัยที่หลากหลายในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ, เคมี, ฟิสิกส์สสารควบแน่น, ชีวิตและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและการวิจัยประยุกต์ รังสีเอกซ์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาวัสดุและโครงสร้างทางชีวภาพการกระจายองค์ประกอบสารเคมีแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์และระบบวิศวกรรมที่สำคัญทางเทคนิคทุกชนิดตั้งแต่แบตเตอรี่ไปจนถึงหัวฉีดหัวฉีดเชื้อเพลิงซึ่งมีความสำคัญต่อเศรษฐกิจของเราเทคโนโลยีของเรา และร่างกายเป็นพื้นฐานของสุขภาพ ในแต่ละปีนักวิจัยมากกว่า 5,000 คนใช้ APS เพื่อเผยแพร่สิ่งพิมพ์มากกว่า 2,000 รายการโดยมีรายละเอียดการค้นพบที่สำคัญและการแก้ปัญหาโครงสร้างโปรตีนทางชีวภาพที่สำคัญกว่าผู้ใช้ศูนย์วิจัยเอ็กซเรย์อื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกร APS กำลังใช้เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องเร่งความเร็วและแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์อินพุตที่ผลิตรังสีเอกซ์ที่มีความสว่างอย่างมากซึ่งได้รับผลตอบแทนจากนักวิจัยเลนส์ที่มุ่งเน้นรังสีเอกซ์ลงไปที่นาโนเมตรสองสามตัวเครื่องมือที่เพิ่มวิธีการที่รังสีเอกซ์โต้ตอบกับตัวอย่างภายใต้การศึกษาและการรวบรวมและการจัดการการวิจัย APS สร้างปริมาณข้อมูลขนาดใหญ่
การศึกษาครั้งนี้ใช้ทรัพยากรจาก Advanced Photon Source ซึ่งเป็นศูนย์ผู้ใช้ศูนย์พลังงานของสหรัฐอเมริกาที่ดำเนินการโดย Argonne National Laboratory สำหรับสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาภายใต้หมายเลขสัญญา DE-AC02-06CH11357
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์มุ่งมั่นที่จะแก้ปัญหาเร่งด่วนของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในประเทศ ในฐานะห้องปฏิบัติการแห่งชาติแห่งแรกในสหรัฐอเมริกา Argonne ดำเนินการวิจัยขั้นพื้นฐานที่ทันสมัยและประยุกต์ในแทบทุกวินัยทางวิทยาศาสตร์ นักวิจัยของ Argonne ทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิจัยจาก บริษัท หลายร้อยแห่งมหาวิทยาลัยและหน่วยงานของรัฐบาลกลางรัฐและหน่วยงานเทศบาลเพื่อช่วยพวกเขาแก้ปัญหาที่เฉพาะเจาะจงพัฒนาความเป็นผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของสหรัฐฯและเตรียมประเทศเพื่ออนาคตที่ดีกว่า Argonne จ้างพนักงานจากกว่า 60 ประเทศและดำเนินการโดย UCHICAGO Argonne, LLC ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา
สำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาเป็นผู้สนับสนุนการวิจัยขั้นพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดของประเทศในสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพซึ่งทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาที่เร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมโปรดเยี่ยมชม https: // Energy .gov/Science ience