นักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน สังกัดกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) มีประวัติอันยาวนานในการค้นพบบุกเบิกในด้านแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ผลลัพธ์เหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับแคโทดของแบตเตอรี่ที่เรียกว่า NMC (นิกเกิลแมงกานีสและโคบอลต์ออกไซด์) ปัจจุบันแบตเตอรี่ที่มีแคโทดชนิดนี้ถูกนำมาใช้ในรถยนต์เชฟโรเลต โบลต์
นักวิจัยจากอาร์กอนประสบความสำเร็จครั้งสำคัญอีกครั้งในการพัฒนาแคโทด NMC โครงสร้างอนุภาคแคโทดขนาดเล็กแบบใหม่ของทีมอาจทำให้แบตเตอรี่มีความทนทานและปลอดภัยมากขึ้น สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก และให้ระยะทางการเดินทางที่ยาวนานขึ้น
“ขณะนี้เรามีแนวทางที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถนำไปใช้ในการผลิตวัสดุแคโทดไร้ขอบที่มีแรงดันสูงได้แล้ว” คาลิล อามิน นักวิจัยอาวุโสเกียรติคุณแห่งอาร์กอนน์ กล่าว
“แคโทด NMC ที่มีอยู่เดิมเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับการใช้งานที่แรงดันสูง” กุยเหลียง ซู นักเคมีผู้ช่วยกล่าว ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อมีการชาร์จและคายประจุซ้ำๆ เนื่องจากการเกิดรอยแตกในอนุภาคแคโทด นักวิจัยด้านแบตเตอรี่พยายามหาวิธีซ่อมแซมรอยแตกเหล่านี้มานานหลายทศวรรษแล้ว
วิธีการหนึ่งในอดีตใช้เม็ดทรงกลมขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก เม็ดทรงกลมขนาดใหญ่เป็นผลึกหลายเหลี่ยม โดยมีโดเมนผลึกที่มีทิศทางต่างๆ กัน ส่งผลให้มีสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าขอบเขตของผลึกระหว่างอนุภาค ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่แตกได้ระหว่างการใช้งาน เพื่อป้องกันปัญหานี้ เพื่อนร่วมงานของ Xu และ Argonne ได้พัฒนาสารเคลือบโพลีเมอร์ป้องกันรอบอนุภาคแต่ละอนุภาค สารเคลือบนี้จะห่อหุ้มเม็ดทรงกลมขนาดใหญ่และอนุภาคขนาดเล็กที่อยู่ภายใน
อีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวแบบนี้คือการใช้ผลึกเดี่ยว การตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอนุภาคเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าพวกมันไม่มีขอบเขต
ปัญหาสำหรับทีมวิจัยคือ ขั้วแคโทดที่ทำจากผลึกหลายผลึกเคลือบผิวและผลึกเดี่ยวก็ยังคงแตกร้าวระหว่างการใช้งาน ดังนั้นพวกเขาจึงทำการวิเคราะห์วัสดุแคโทดเหล่านี้อย่างละเอียดที่ Advanced Photon Source (APS) และ Center for Nanomaterials (CNM) ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์อาร์กอน สังกัดกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา
ได้ทำการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์หลายครั้งกับแขน APS ทั้งห้าแขน (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C และ 34-ID-E) ปรากฏว่าสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นผลึกเดี่ยว ดังที่แสดงโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์นั้น แท้จริงแล้วมีขอบเขตอยู่ภายใน การสแกนและการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านยืนยันข้อสรุปนี้
“เมื่อเราพิจารณาลักษณะพื้นผิวของอนุภาคเหล่านี้ พวกมันดูเหมือนผลึกเดี่ยว” เหวินจุน หลิว 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 เราพบว่าขอบเขตเหล่านั้นซ่อนอยู่ภายใน”
ที่สำคัญ ทีมวิจัยได้พัฒนาวิธีการผลิตผลึกเดี่ยวโดยปราศจากขอบเขต การทดสอบเซลล์ขนาดเล็กด้วยแคโทดผลึกเดี่ยวนี้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของการเก็บพลังงานต่อหน่วยปริมาตรถึง 25% โดยแทบไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพเลยตลอด 100 รอบการทดสอบ ในทางตรงกันข้าม แคโทด NMC ที่ประกอบด้วยผลึกเดี่ยวที่มีหลายส่วนต่อประสานหรือโพลีคริสตัลเคลือบผิว แสดงให้เห็นถึงการลดลงของความจุ 60% ถึง 88% ตลอดอายุการใช้งานเดียวกัน
การคำนวณในระดับอะตอมเผยให้เห็นกลไกการลดลงของความจุของแคโทด ตามที่มาเรีย ชาง นักนาโนวิทยาจาก CNM กล่าวไว้ บริเวณขอบเขตมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอะตอมออกซิเจนมากกว่าบริเวณที่อยู่ห่างออกไปเมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จ การสูญเสียออกซิเจนนี้ส่งผลให้วงจรการทำงานของเซลล์เสื่อมลง
“การคำนวณของเราแสดงให้เห็นว่าขอบเขตดังกล่าวสามารถนำไปสู่การปล่อยออกซิเจนที่ความดันสูง ซึ่งอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง” ชานกล่าว
การกำจัดขอบเขตดังกล่าวช่วยป้องกันการเกิดออกซิเจน ซึ่งส่งผลให้ความปลอดภัยและความเสถียรในการใช้งานของแคโทดดีขึ้น การวัดการเกิดออกซิเจนด้วย APS และแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ห้องปฏิบัติการลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์แห่งชาติ สังกัดกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ยืนยันข้อสรุปนี้
“ขณะนี้เรามีแนวทางที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถนำไปใช้ในการผลิตวัสดุแคโทดที่ไร้ข้อจำกัดและทำงานได้ภายใต้ความดันสูง” คาลิล อามิน นักวิจัยอาวุโสเกียรติคุณแห่งอาร์กอนน์ 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。”“ควรมีการกำหนดแนวทางปฏิบัติสำหรับวัสดุแคโทดอื่นๆ นอกเหนือจาก NMC ด้วย”
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)
เกี่ยวกับศูนย์นาโนวัสดุอาร์กอน ศูนย์นาโนวัสดุ (NSRC) ซึ่งเป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เป็นสถาบันผู้ใช้ระดับชาติชั้นนำสำหรับการวิจัยระดับนาโนแบบสหวิทยาการที่ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ NSRC เหล่านี้ร่วมกันสร้างชุดสิ่งอำนวยความสะดวกที่เสริมซึ่งกันและกัน ซึ่งช่วยให้นักวิจัยมีขีดความสามารถที่ทันสมัยในการผลิต การประมวลผล การวิเคราะห์ลักษณะ และการสร้างแบบจำลองวัสดุระดับนาโน และเป็นตัวแทนของการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดภายใต้โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ NSRC ตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ในอาร์กอน บรูคเฮเวน ลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ โอ๊คริดจ์ แซนเดีย และลอสอะลามอส สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ NSRC DOE โปรดเยี่ยมชม https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance
แหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูง (APS) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก APS ให้รังสีเอ็กซ์ความเข้มสูงแก่ชุมชนวิจัยที่หลากหลายในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ เคมี ฟิสิกส์สสารควบแน่น วิทยาศาสตร์ชีวภาพและสิ่งแวดล้อม และการวิจัยประยุกต์ รังสีเอ็กซ์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาวัสดุและโครงสร้างทางชีวภาพ การกระจายตัวของธาตุ สถานะทางเคมี แม่เหล็ก และอิเล็กทรอนิกส์ และระบบวิศวกรรมที่สำคัญทางเทคนิคทุกประเภท ตั้งแต่แบตเตอรี่ไปจนถึงหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งมีความสำคัญต่อเศรษฐกิจ เทคโนโลยี และสุขภาพของประเทศ ในแต่ละปี นักวิจัยกว่า 5,000 คนใช้ APS เพื่อตีพิมพ์ผลงานมากกว่า 2,000 ชิ้น ซึ่งให้รายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบที่สำคัญและไขโครงสร้างโปรตีนทางชีวภาพที่สำคัญมากกว่าผู้ใช้ศูนย์วิจัยรังสีเอ็กซ์อื่นๆ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ APS กำลังนำเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมมาใช้ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องเร่งอนุภาคและแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ป้อนข้อมูลที่สร้างรังสีเอกซ์ที่มีความสว่างสูงมากซึ่งเป็นที่ต้องการของนักวิจัย เลนส์ที่โฟกัสรังสีเอกซ์ให้มีความละเอียดสูงถึงระดับนาโนเมตร เครื่องมือที่เพิ่มประสิทธิภาพการปฏิสัมพันธ์ของรังสีเอกซ์กับตัวอย่างที่กำลังศึกษา และการรวบรวมและการจัดการผลการค้นพบของ APS การวิจัยก่อให้เกิดข้อมูลปริมาณมหาศาล
งานวิจัยนี้ใช้ทรัพยากรจาก Advanced Photon Source ซึ่งเป็นศูนย์บริการผู้ใช้ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนสำหรับสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ภายใต้สัญญาเลขที่ DE-AC02-06CH11357
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน (Argonne National Laboratory) มุ่งมั่นที่จะแก้ไขปัญหาเร่งด่วนด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีภายในประเทศ ในฐานะห้องปฏิบัติการแห่งชาติแห่งแรกของสหรัฐอเมริกา อาร์กอนดำเนินการวิจัยพื้นฐานและประยุกต์ที่ล้ำสมัยในเกือบทุกสาขาวิทยาศาสตร์ นักวิจัยของอาร์กอนทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิจัยจากบริษัท มหาวิทยาลัย และหน่วยงานของรัฐบาลกลาง รัฐ และเทศบาลหลายร้อยแห่ง เพื่อช่วยพวกเขาแก้ไขปัญหาเฉพาะด้าน พัฒนาความเป็นผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของสหรัฐฯ และเตรียมความพร้อมของประเทศชาติเพื่ออนาคตที่ดีกว่า อาร์กอนมีพนักงานจากกว่า 60 ประเทศ และบริหารงานโดย UChicago Argonne, LLC ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา
สำนักงานวิทยาศาสตร์ สังกัดกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา เป็นหน่วยงานที่ใหญ่ที่สุดในประเทศที่สนับสนุนการวิจัยพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพ โดยทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาที่สำคัญที่สุดในยุคปัจจุบัน สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดเยี่ยมชม https://energy.gov/science