นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) มีประวัติอันยาวนานในการบุกเบิกการค้นพบในด้านแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ผลลัพธ์หลายอย่างเหล่านี้เป็นผลจากแคโทดของแบตเตอรี่ที่เรียกว่า NMC, นิกเกิลแมงกานีส และโคบอลต์ออกไซด์ แบตเตอรี่ที่มีแคโทดนี้จะขับเคลื่อนเชฟโรเลต โบลต์
นักวิจัยของ Argonne ประสบความสำเร็จในการพัฒนาแคโทดของ NMC อีกครั้ง โครงสร้างอนุภาคแคโทดเล็กๆ ใหม่ของทีมสามารถทำให้แบตเตอรี่มีความทนทานและปลอดภัยมากขึ้น สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก และให้ระยะการเคลื่อนที่ที่ยาวขึ้น
“ตอนนี้เรามีคำแนะนำที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถใช้เพื่อผลิตวัสดุแคโทดไร้ขอบแรงดันสูงได้” Khalil Amin กิตติมศักดิ์ของ Argonne
“แคโทดของ NMC ที่มีอยู่ถือเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับงานไฟฟ้าแรงสูง” ผู้ช่วยนักเคมี Guiliang Xu กล่าว ด้วยการหมุนเวียนประจุและคายประจุ ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการก่อตัวของรอยแตกในอนุภาคแคโทด เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิจัยด้านแบตเตอรี่มองหาวิธีซ่อมแซมรอยแตกร้าวเหล่านี้
วิธีการหนึ่งในอดีตใช้อนุภาคทรงกลมขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่าจำนวนมาก อนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่เป็นแบบโพลีคริสตัลไลน์ โดยมีโดเมนผลึกที่มีทิศทางต่างๆ ด้วยเหตุนี้ จึงมีสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าขอบเขตของเกรนระหว่างอนุภาค ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่แตกในระหว่างรอบการทำงานได้ เพื่อป้องกันสิ่งนี้ เพื่อนร่วมงานของ Xu และ Argonne ได้พัฒนาสารเคลือบโพลีเมอร์ป้องกันรอบอนุภาคแต่ละอนุภาคไว้ก่อนหน้านี้ การเคลือบนี้ล้อมรอบอนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่และอนุภาคขนาดเล็กที่อยู่ภายใน
อีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวประเภทนี้คือการใช้อนุภาคผลึกเดี่ยว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอนุภาคเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าไม่มีขอบเขต
ปัญหาสำหรับทีมงานคือแคโทดที่ทำจากโพลีคริสตัลเคลือบและคริสตัลเดี่ยวยังคงแตกร้าวระหว่างการปั่นจักรยาน ดังนั้น พวกเขาจึงทำการวิเคราะห์วัสดุแคโทดเหล่านี้อย่างกว้างขวางที่ Advanced Photon Source (APS) และศูนย์วัสดุนาโน (CNM) ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ
การวิเคราะห์ด้วยเอ็กซเรย์ต่างๆ ถูกดำเนินการบนแขน APS ห้าแขน (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C และ 34-ID-E) ปรากฎว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นผลึกเดี่ยว ดังที่แสดงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและเอ็กซ์เรย์ จริงๆ แล้วมีขอบเขตอยู่ข้างใน การสแกนและการส่งผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของ CNM ยืนยันข้อสรุปนี้
“เมื่อเราดูสัณฐานวิทยาพื้นผิวของอนุภาคเหล่านี้ พวกมันดูเหมือนผลึกเดี่ยว” Wenjun Liu นักฟิสิกส์กล่าว 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 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。”“อย่างไรก็ตาม เมื่อเราใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ซินโครตรอนและเทคนิคอื่นๆ ที่ APS เราพบว่าขอบเขตถูกซ่อนอยู่ภายใน”
ที่สำคัญทีมงานได้พัฒนาวิธีการผลิตผลึกเดี่ยวแบบไร้ขอบเขต การทดสอบเซลล์ขนาดเล็กด้วยแคโทดผลึกเดี่ยวที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก พบว่ามีการกักเก็บพลังงานเพิ่มขึ้น 25% ต่อหน่วยปริมาตร โดยแทบไม่สูญเสียประสิทธิภาพเลยตลอดการทดสอบ 100 รอบ ในทางตรงกันข้าม แคโทด NMC ที่ประกอบด้วยผลึกเดี่ยวแบบหลายอินเทอร์เฟซหรือโพลีคริสตัลที่เคลือบ มีความจุลดลง 60% ถึง 88% ตลอดอายุการใช้งานเดียวกัน
การคำนวณมาตราส่วนอะตอมเผยให้เห็นกลไกการลดความจุแคโทด ตามที่ Maria Chang นักนาโนวิทยาจาก CNM กล่าว ขอบเขตมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอะตอมของออกซิเจนเมื่อมีการชาร์จแบตเตอรี่มากกว่าพื้นที่ที่อยู่ห่างจากพวกมัน การสูญเสียออกซิเจนนี้นำไปสู่การเสื่อมโทรมของวัฏจักรของเซลล์
“การคำนวณของเราแสดงให้เห็นว่าขอบเขตสามารถนำไปสู่การปล่อยออกซิเจนที่แรงดันสูงได้อย่างไร ซึ่งสามารถนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ลดลง” ชานกล่าว
การกำจัดขอบเขตจะป้องกันการวิวัฒนาการของออกซิเจน จึงช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความเสถียรของวงจรของแคโทด การวัดวิวัฒนาการของออกซิเจนด้วย APS และแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ยืนยันข้อสรุปนี้
“ตอนนี้เรามีแนวปฏิบัติที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถใช้เพื่อผลิตวัสดุแคโทดที่ไม่มีขอบเขตและทำงานที่แรงดันสูงได้” คาลิล อามิน กิตติมศักดิ์ของ Argonne Fellow กล่าว 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 แล้ว ผู้เขียน Argonne ได้แก่ Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu , Junjing Deng, Inhui Hwang, เฉิงจุนซุน, เถาโจว, หมิงตู้ และจงไห่เฉิน นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li และ Zengqing Zhuo), มหาวิทยาลัย Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang และ Shi-Gang Sun) และมหาวิทยาลัย Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng และ Mingao Ouyang)
เกี่ยวกับ Argonne Center for Nanomaterials ศูนย์สำหรับวัสดุนาโน ซึ่งเป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา เป็นสถาบันผู้ใช้ระดับชาติชั้นนำสำหรับการวิจัยระดับนาโนแบบสหวิทยาการที่ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา NSRCs ร่วมกันสร้างชุดสิ่งอำนวยความสะดวกเสริมที่ช่วยให้นักวิจัยมีความสามารถที่ล้ำสมัยในการประดิษฐ์ ประมวลผล กำหนดลักษณะ และจำลองวัสดุระดับนาโน และเป็นตัวแทนของการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดภายใต้โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ NSRC ตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาใน Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia และ Los Alamos สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ NSRC DOE โปรดไปที่ https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​​ie​s​/ ​Us​ ​ ​-​F​a​c​i​l​it​ie​s-​at-a​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​โดยสรุป
Advanced Photon Source (APS) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne เป็นหนึ่งในแหล่งรังสีเอกซ์ที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในโลก APS ให้รังสีเอกซ์ความเข้มสูงแก่ชุมชนการวิจัยที่หลากหลายในด้านวัสดุศาสตร์ เคมี ฟิสิกส์สสารควบแน่น วิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตและสิ่งแวดล้อม และการวิจัยประยุกต์ รังสีเอกซ์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาวัสดุและโครงสร้างทางชีวภาพ การกระจายตัวขององค์ประกอบ สถานะทางเคมี แม่เหล็ก และอิเล็กทรอนิกส์ และระบบวิศวกรรมที่สำคัญทางเทคนิคทุกประเภท ตั้งแต่แบตเตอรี่ไปจนถึงหัวฉีดหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งมีความสำคัญต่อเศรษฐกิจ เทคโนโลยีของประเทศเรา . และร่างกาย พื้นฐานของสุขภาพ ในแต่ละปี นักวิจัยมากกว่า 5,000 คนใช้ APS เพื่อเผยแพร่สิ่งพิมพ์มากกว่า 2,000 ฉบับที่มีรายละเอียดการค้นพบที่สำคัญและการแก้ไขโครงสร้างโปรตีนทางชีวภาพที่สำคัญมากกว่าผู้ใช้ศูนย์วิจัยเอ็กซ์เรย์อื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ APS กำลังใช้เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมซึ่งเป็นพื้นฐานในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องเร่งความเร็วและแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์อินพุตที่ผลิตรังสีเอกซ์ที่สว่างมากซึ่งนักวิจัยชื่นชม เลนส์ที่โฟกัสรังสีเอกซ์ลงไปไม่กี่นาโนเมตร เครื่องมือที่เพิ่มวิธีที่รังสีเอกซ์โต้ตอบกับตัวอย่างภายใต้การศึกษา และการรวบรวมและการจัดการการค้นพบ APS การวิจัยสร้างปริมาณข้อมูลมหาศาล
การศึกษานี้ใช้ทรัพยากรจาก Advanced Photon Source ซึ่งเป็นศูนย์ผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne สำหรับสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ภายใต้สัญญาหมายเลข DE-AC02-06CH11357
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne มุ่งมั่นที่จะแก้ไขปัญหาเร่งด่วนด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในประเทศ ในฐานะห้องปฏิบัติการระดับชาติแห่งแรกในสหรัฐอเมริกา Argonne ดำเนินการวิจัยขั้นพื้นฐานและประยุกต์ที่ล้ำสมัยในแทบทุกสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ นักวิจัยของ Argonne ทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิจัยจากบริษัท มหาวิทยาลัย หน่วยงานรัฐบาลกลาง รัฐ และเทศบาลหลายร้อยแห่ง เพื่อช่วยพวกเขาแก้ปัญหาเฉพาะด้าน พัฒนาความเป็นผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของสหรัฐอเมริกา และเตรียมประเทศสำหรับอนาคตที่ดีกว่า Argonne มีพนักงานจากกว่า 60 ประเทศ และดำเนินการโดย UChicago Argonne, LLC ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา
สำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาเป็นผู้สนับสนุนการวิจัยพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพรายใหญ่ที่สุดของประเทศ โดยทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาเร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดไปที่ https://​energy​.gov/​science​ience