يتمتع الباحثون في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بتاريخ طويل من الاكتشافات الرائدة في مجال بطاريات الليثيوم أيون. العديد من هذه النتائج تتعلق بكاثود البطارية، المسمى NMC، والنيكل والمنغنيز وأكسيد الكوبالت. تعمل الآن بطارية بها هذا الكاثود على تشغيل سيارة شيفروليه بولت.
حقق باحثو أرجون طفرة أخرى في كاثودات NMC. يمكن لهيكل جسيمات الكاثود الصغير الجديد للفريق أن يجعل البطارية أكثر متانة وأكثر أمانًا، وقادرة على العمل بجهد كهربائي عالي جدًا وتوفر نطاقات سفر أطول.
"لدينا الآن إرشادات يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لتصنيع مواد كاثود عالية الضغط بلا حدود،" خليل أمين، زميل أرجون الفخري.
قال الكيميائي المساعد جويليانج شو: "تمثل كاثودات NMC الحالية عقبة كبيرة أمام أعمال الجهد العالي". مع دورة الشحن والتفريغ، ينخفض ​​الأداء بسرعة بسبب تكوين الشقوق في جزيئات الكاثود. لعقود من الزمن، ظل الباحثون في مجال البطاريات يبحثون عن طرق لإصلاح هذه الشقوق.
استخدمت إحدى الطرق في الماضي جسيمات كروية صغيرة تتكون من عدة جسيمات أصغر بكثير. تكون الجسيمات الكروية الكبيرة متعددة البلورات، ولها مجالات بلورية ذات اتجاهات مختلفة. ونتيجة لذلك، فإن لديهم ما يسميه العلماء حدود الحبوب بين الجزيئات، والتي يمكن أن تتسبب في تشقق البطارية أثناء الدورة. ولمنع ذلك، قام شو وزملاء أرجون سابقًا بتطوير طبقة بوليمر واقية حول كل جسيم. يحيط هذا الطلاء بجزيئات كروية كبيرة وجزيئات أصغر بداخلها.
هناك طريقة أخرى لتجنب هذا النوع من التشقق وهي استخدام جزيئات بلورية مفردة. أظهر الفحص المجهري الإلكتروني لهذه الجسيمات أنه ليس لها حدود.
وكانت مشكلة الفريق هي أن الكاثودات المصنوعة من البلورات المتعددة المغلفة والبلورات المفردة ما زالت تتشقق أثناء ركوب الدراجات. لذلك، أجروا تحليلًا مكثفًا لهذه المواد الكاثودية في مصدر الفوتون المتقدم (APS) ومركز المواد النانوية (CNM) في مركز أرجون للعلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
تم إجراء تحليلات مختلفة للأشعة السينية على خمسة أذرع APS (11-BM، 20-BM، 2-ID-D، 11-ID-C و34-ID-E). وتبين أن ما اعتقد العلماء أنه بلورة واحدة، كما هو موضح بالمجهر الإلكتروني والأشعة السينية، كان له في الواقع حدود داخلية. أكد المسح والمجهر الإلكتروني للإرسال للـ CNMs هذا الاستنتاج.
وقال الفيزيائي وينجون ليو: "عندما نظرنا إلى الشكل السطحي لهذه الجسيمات، بدت وكأنها بلورات مفردة". ​‹‹يتوفر لدينا نظام APS للأجهزة اللوحية X "" â <“但是، 当 在 在 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 و 其他 时، 我们发现 边界 隐藏 在."ومع ذلك، عندما استخدمنا تقنية تسمى مجهر حيود الأشعة السينية السنكروترونية وغيرها من التقنيات في APS، وجدنا أن الحدود كانت مخفية في الداخل."
والأهم من ذلك، أن الفريق طور طريقة لإنتاج بلورات مفردة بلا حدود. أظهر اختبار الخلايا الصغيرة باستخدام هذا الكاثود أحادي البلورة عند جهد كهربائي عالي جدًا زيادة بنسبة 25% في تخزين الطاقة لكل وحدة حجم مع عدم وجود أي خسارة تقريبًا في الأداء خلال 100 دورة اختبار. في المقابل، أظهرت كاثودات NMC المكونة من بلورات مفردة متعددة الواجهات أو بلورات متعددة مطلية انخفاضًا في السعة بنسبة 60% إلى 88% خلال نفس العمر.
تكشف حسابات المقياس الذري عن آلية تقليل سعة الكاثود. وفقًا لماريا تشانغ، عالمة النانو في CNM، من المرجح أن تفقد الحدود ذرات الأكسجين عند شحن البطارية مقارنة بالمناطق البعيدة عنها. يؤدي فقدان الأكسجين هذا إلى تدهور دورة الخلية.
وقال تشان: "تظهر حساباتنا كيف يمكن أن يؤدي هذا الحد إلى إطلاق الأكسجين عند ضغط مرتفع، مما قد يؤدي إلى انخفاض الأداء".
إزالة الحدود تمنع تطور الأكسجين، وبالتالي تحسين السلامة والاستقرار الدوري للكاثود. تؤكد قياسات تطور الأكسجين باستخدام APS ومصدر الضوء المتقدم في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية هذا الاستنتاج.
وقال خليل أمين، زميل أرجون الفخري: "لدينا الآن مبادئ توجيهية يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لتصنيع مواد الكاثود التي ليس لها حدود وتعمل تحت ضغط مرتفع". """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."" """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."""يجب أن تنطبق المبادئ التوجيهية على مواد الكاثود بخلاف NMC."
ظهر مقال عن هذه الدراسة في مجلة Nature Energy. بالإضافة إلى Xu و Amin و Liu و Chang، فإن مؤلفي Argonne هم Xiang Liu و Venkata Surya Chaitanya Kolluru و Chen Zhao و Xinwei Zhou و Yuzi Liu و Liang Ying و Amin Daali و Yang Ren و Wenqian Xu و Junjing Deng و Inhui Hwang. تشنغ جون صن، تاو تشو، مينغ دو، وزونغهاي تشين. علماء من مختبر لورانس بيركلي الوطني (وانلي يانغ، وتشينغتيان لي، وزينغكينغ تشو)، وجامعة شيامن (جينغ جينغ فان، ولينغ هوانغ، وشي جانج صن) وجامعة تسينغهوا (دونغشنغ رن، وشونينغ فنغ، ومينغاو أويانغ).
حول مركز أرجون للمواد النانوية يعد مركز المواد النانوية، أحد مراكز أبحاث تكنولوجيا النانو الخمسة التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، مؤسسة المستخدم الوطنية الأولى للأبحاث النانوية متعددة التخصصات التي يدعمها مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. تشكل مراكز NSRC معًا مجموعة من المرافق التكميلية التي تزود الباحثين بأحدث القدرات لتصنيع ومعالجة وتوصيف ونمذجة المواد النانوية وتمثل أكبر استثمار في البنية التحتية في إطار المبادرة الوطنية لتقنية النانو. يقع مركز NSRC في المختبرات الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية في أرجون، وبروكهافن، ولورانس بيركلي، وأوك ريدج، وسانديا، ولوس ألاموس. لمزيد من المعلومات حول NSRC DOE، تفضل بزيارة https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​​​​Fa​c​i​l ​ie ​ie​s​​​في​​لمحة​.
يعد مصدر الفوتون المتقدم (APS) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرجون الوطني أحد أكثر مصادر الأشعة السينية إنتاجية في العالم. توفر APS أشعة سينية عالية الكثافة لمجتمع بحثي متنوع في علوم المواد والكيمياء وفيزياء المواد المكثفة وعلوم الحياة والبيئة والأبحاث التطبيقية. تعتبر هذه الأشعة السينية مثالية لدراسة المواد والتركيبات البيولوجية، وتوزيع العناصر، والحالات الكيميائية والمغناطيسية والإلكترونية، والأنظمة الهندسية ذات الأهمية الفنية بجميع أنواعها، من البطاريات إلى فوهات حاقن الوقود، والتي تعتبر حيوية لاقتصادنا الوطني وتقنياتنا. . والجسم أساس الصحة. في كل عام، يستخدم أكثر من 5000 باحث APS لنشر أكثر من 2000 منشور يشرح بالتفصيل الاكتشافات المهمة ويحل هياكل البروتين البيولوجي الأكثر أهمية من مستخدمي أي مركز أبحاث آخر للأشعة السينية. يقوم علماء ومهندسو APS بتنفيذ تقنيات مبتكرة تشكل الأساس لتحسين أداء المسرعات ومصادر الضوء. يتضمن ذلك أجهزة الإدخال التي تنتج أشعة سينية شديدة السطوع، والتي يقدرها الباحثون، والعدسات التي تركز الأشعة السينية وصولاً إلى بضعة نانومترات، والأدوات التي تزيد من طريقة تفاعل الأشعة السينية مع العينة قيد الدراسة، وجمع وإدارة اكتشافات APS تولد الأبحاث كميات هائلة من البيانات.
استخدمت هذه الدراسة موارد من مصدر الفوتون المتقدم، وهو مركز مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يديره مختبر أرجون الوطني لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357.
يسعى مختبر أرجون الوطني إلى حل المشكلات الملحة للعلوم والتكنولوجيا المحلية. باعتباره أول مختبر وطني في الولايات المتحدة، يجري أرجون أبحاثًا أساسية وتطبيقية متطورة في كل التخصصات العلمية تقريبًا. يعمل باحثو أرجون بشكل وثيق مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والوكالات الفيدرالية وحكومات الولايات والبلديات لمساعدتهم على حل مشكلات محددة، وتعزيز القيادة العلمية الأمريكية، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. توظف شركة Argonne موظفين من أكثر من 60 دولة وتديرها شركة UChicago Argonne, LLC التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
يعد مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أكبر مؤيد للبحوث الأساسية في العلوم الفيزيائية، ويعمل على معالجة بعض القضايا الأكثر إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات، قم بزيارة https://​energy​.gov/​science​ience.