นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ สังกัดกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (DOE) มีประวัติอันยาวนานในการค้นพบครั้งสำคัญด้านแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ผลการวิจัยเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวกับแคโทดของแบตเตอรี่ที่เรียกว่า NMC นิกเกิลแมงกานีส และโคบอลต์ออกไซด์ ปัจจุบันแบตเตอรี่ที่มีแคโทดนี้กำลังขับเคลื่อนเชฟโรเลต โบลต์
นักวิจัยจาก Argonne ประสบความสำเร็จอีกขั้นในการพัฒนาแคโทด NMC โครงสร้างอนุภาคแคโทดขนาดเล็กแบบใหม่ของทีมวิจัยอาจทำให้แบตเตอรี่มีความทนทานและปลอดภัยมากขึ้น สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมากและมีระยะการเดินทางที่ไกลขึ้น
“ขณะนี้ เรามีแนวทางที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถนำไปใช้ในการผลิตวัสดุแคโทดไร้ขอบที่มีแรงดันสูง” Khalil Amin สมาชิกกิตติคุณของ Argonne กล่าว
“แคโทด NMC ที่มีอยู่เดิมเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับงานไฟฟ้าแรงสูง” ผู้ช่วยนักเคมี Guiliang Xu กล่าว ด้วยวงจรการชาร์จ-ดิสชาร์จ ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการเกิดรอยแตกร้าวในอนุภาคแคโทด นักวิจัยแบตเตอรี่ได้พยายามหาวิธีซ่อมแซมรอยแตกร้าวเหล่านี้มานานหลายทศวรรษ
ในอดีตวิธีการหนึ่งใช้อนุภาคทรงกลมขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่ามากจำนวนมาก อนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่เป็นผลึกหลายผลึก (polycrystalline) ซึ่งมีโดเมนผลึกที่มีทิศทางแตกต่างกัน ส่งผลให้มีสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าขอบเกรนระหว่างอนุภาค ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่แตกร้าวระหว่างรอบการทำงาน เพื่อป้องกันปัญหานี้ ซูและเพื่อนร่วมงานของอาร์กอนน์ได้พัฒนาสารเคลือบโพลีเมอร์ป้องกันรอบอนุภาคแต่ละอนุภาค สารเคลือบนี้จะหุ้มอนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่และอนุภาคขนาดเล็กกว่าที่อยู่ภายใน
อีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวประเภทนี้คือการใช้อนุภาคผลึกเดี่ยว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอนุภาคเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าพวกมันไม่มีขอบเขต
ปัญหาของทีมวิจัยคือแคโทดที่ทำจากโพลีคริสตัลเคลือบและผลึกเดี่ยวยังคงแตกร้าวระหว่างการหมุนเวียน ดังนั้น พวกเขาจึงได้ทำการวิเคราะห์วัสดุแคโทดเหล่านี้อย่างละเอียดที่ Advanced Photon Source (APS) และ Center for Nanomaterials (CNM) ณ ศูนย์วิทยาศาสตร์อาร์กอนน์ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา
มีการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์หลายรูปแบบบนแขน APS ห้าแขน (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C และ 34-ID-E) ปรากฏว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นผลึกเดี่ยว ดังที่แสดงโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์ แท้จริงแล้วมีขอบเขตอยู่ภายใน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและแบบส่องผ่านของ CNMs ยืนยันข้อสรุปนี้
“เมื่อเราพิจารณาสัณฐานวิทยาพื้นผิวของอนุภาคเหล่านี้ พวกมันดูเหมือนผลึกเดี่ยว” 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。” 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 เมื่อเราใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ซินโครตรอนและเทคนิคอื่นๆ ที่ APS เราก็พบว่าขอบเขตนั้นซ่อนอยู่ภายใน”
ที่สำคัญ ทีมงานได้พัฒนาวิธีการผลิตผลึกเดี่ยวแบบไร้ขีดจำกัด การทดสอบเซลล์ขนาดเล็กด้วยแคโทดผลึกเดี่ยวนี้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก พบว่าปริมาณพลังงานที่กักเก็บต่อหน่วยปริมาตรเพิ่มขึ้น 25% โดยแทบไม่สูญเสียประสิทธิภาพตลอดระยะเวลาการทดสอบ 100 รอบ ในทางตรงกันข้าม แคโทด NMC ที่ประกอบด้วยผลึกเดี่ยวแบบหลายอินเทอร์เฟซหรือโพลีคริสตัลเคลือบ พบว่าความจุลดลง 60% ถึง 88% ตลอดอายุการใช้งานเดียวกัน
การคำนวณในระดับอะตอมเผยให้เห็นกลไกการลดความจุของแคโทด มาเรีย ชาง นักนาโนศาสตร์จาก CNM ระบุว่า ขอบเขตมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอะตอมออกซิเจนเมื่อชาร์จแบตเตอรี่มากกว่าพื้นที่ที่อยู่ห่างออกไป การสูญเสียออกซิเจนนี้นำไปสู่ความเสื่อมของวัฏจักรเซลล์
“การคำนวณของเราแสดงให้เห็นว่าขอบเขตสามารถนำไปสู่การปล่อยออกซิเจนภายใต้ความดันสูง ซึ่งอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง” ชานกล่าว
การกำจัดขอบเขตช่วยป้องกันการเกิดออกซิเจน ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยและเสถียรภาพแบบวัฏจักรของแคโทด การวัดการเกิดออกซิเจนด้วย APS และแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ยืนยันข้อสรุปนี้
“ขณะนี้ เรามีแนวปฏิบัติที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถนำไปใช้ในการผลิตวัสดุแคโทดที่ไม่มีขอบเขตและทำงานภายใต้แรงดันสูง” คาลิล อามิน สมาชิกกิตติคุณของ Argonne 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。”“แนวปฏิบัติควรใช้กับวัสดุแคโทดอื่นนอกเหนือจาก 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, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du และ Zonghai Chen 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)
เกี่ยวกับศูนย์วัสดุนาโนอาร์กอนน์ ศูนย์วัสดุนาโน ซึ่งเป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา เป็นสถาบันชั้นนำระดับชาติสำหรับผู้ใช้งานด้านการวิจัยระดับนาโนแบบสหวิทยาการ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา NSRC ร่วมกันเป็นชุดสิ่งอำนวยความสะดวกที่เสริมกัน ซึ่งมอบขีดความสามารถที่ทันสมัยแก่นักวิจัยในการผลิต ประมวลผล จำแนกลักษณะ และจำลองวัสดุระดับนาโน และถือเป็นการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดภายใต้โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ NSRC ตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาในเมืองอาร์กอนน์ บรูคเฮเวน ลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ โอ๊คริดจ์ แซนเดีย และลอสอะลามอส สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ NSRC DOE โปรดไปที่ https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance
แหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูง (APS) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ณ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในโลก APS มอบรังสีเอกซ์ความเข้มสูงให้กับชุมชนนักวิจัยที่หลากหลายในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ เคมี ฟิสิกส์สสารควบแน่น วิทยาศาสตร์ชีวภาพและสิ่งแวดล้อม และการวิจัยประยุกต์ รังสีเอกซ์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาวัสดุและโครงสร้างทางชีวภาพ การกระจายตัวของธาตุ สถานะทางเคมี แม่เหล็ก และอิเล็กทรอนิกส์ และระบบวิศวกรรมที่สำคัญทางเทคนิคทุกประเภท ตั้งแต่แบตเตอรี่ไปจนถึงหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งมีความสำคัญต่อเศรษฐกิจ เทคโนโลยี และสุขภาพของชาติ ในแต่ละปี มีนักวิจัยมากกว่า 5,000 คนใช้ APS เพื่อตีพิมพ์ผลงานตีพิมพ์มากกว่า 2,000 ชิ้น ซึ่งให้รายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบที่สำคัญและการแก้ปัญหาโครงสร้างโปรตีนทางชีวภาพที่สำคัญกว่าผู้ใช้ศูนย์วิจัยรังสีเอกซ์อื่นๆ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ APS กำลังนำเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมมาใช้ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องเร่งอนุภาคและแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์อินพุตที่สร้างรังสีเอกซ์ที่สว่างมากซึ่งเป็นที่ชื่นชอบของนักวิจัย เลนส์ที่โฟกัสรังสีเอกซ์ลงเหลือเพียงไม่กี่นาโนเมตร เครื่องมือที่เพิ่มประสิทธิภาพในการโต้ตอบระหว่างรังสีเอกซ์กับตัวอย่างที่ศึกษา และการรวบรวมและการจัดการการค้นพบของ APS การวิจัยสร้างปริมาณข้อมูลจำนวนมหาศาล
การศึกษาครั้งนี้ใช้ทรัพยากรจาก Advanced Photon Source ซึ่งเป็นศูนย์ผู้ใช้สำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ซึ่งดำเนินการโดย Argonne National Laboratory ให้กับสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ภายใต้หมายเลขสัญญา DE-AC02-06CH11357
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์มุ่งมั่นที่จะแก้ไขปัญหาเร่งด่วนด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีภายในประเทศ ในฐานะห้องปฏิบัติการแห่งชาติแห่งแรกในสหรัฐอเมริกา อาร์กอนน์ดำเนินการวิจัยพื้นฐานและประยุกต์ที่ทันสมัยในแทบทุกสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ นักวิจัยของอาร์กอนน์ทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิจัยจากบริษัท มหาวิทยาลัย และหน่วยงานรัฐบาลกลาง รัฐ และเทศบาลหลายร้อยแห่ง เพื่อช่วยพวกเขาแก้ไขปัญหาเฉพาะด้าน พัฒนาความเป็นผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของสหรัฐอเมริกา และเตรียมประเทศชาติให้พร้อมสำหรับอนาคตที่ดีกว่า อาร์กอนน์มีพนักงานจากกว่า 60 ประเทศ และดำเนินการโดย UChicago Argonne, LLC ภายใต้สำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา
สำนักงานวิทยาศาสตร์แห่งกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา เป็นผู้สนับสนุนงานวิจัยพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพรายใหญ่ที่สุดของประเทศ โดยทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาเร่งด่วนที่สุดในยุคสมัยของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดไปที่ https://​energy​.gov/​science​ience