يتمتع الباحثون في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بتاريخ طويل من الاكتشافات الرائدة في مجال بطاريات الليثيوم أيون. وتتعلق العديد من هذه النتائج بمهبط البطارية، المعروف باسم NMC، وهو أكسيد النيكل والمنغنيز والكوبالت. وتُستخدم بطارية مزودة بهذا المهبط حاليًا في سيارة شيفروليه بولت.
حقق باحثو مختبر أرغون الوطني إنجازاً جديداً في مجال كاثودات NMC. إذ يُمكن لبنية جسيمات الكاثود الصغيرة الجديدة التي ابتكرها الفريق أن تجعل البطارية أكثر متانة وأماناً، وقادرة على العمل بفولتيات عالية جداً، وتوفير نطاقات سفر أطول.
"لدينا الآن إرشادات يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لصنع مواد الكاثود عالية الضغط وبدون حدود"، خليل أمين، زميل أرغون الفخري.
قال الكيميائي المساعد غويليانغ شو: "تمثل كاثودات NMC الحالية عائقًا كبيرًا أمام العمل بجهد عالٍ". فمع دورات الشحن والتفريغ، ينخفض ​​الأداء بسرعة بسبب تشكل الشقوق في جزيئات الكاثود. ولعقود، سعى باحثو البطاريات إلى إيجاد طرق لإصلاح هذه الشقوق.
إحدى الطرق السابقة كانت تعتمد على جسيمات كروية دقيقة تتكون من جسيمات أصغر بكثير. تتميز الجسيمات الكروية الكبيرة ببنية متعددة البلورات، حيث تحتوي على نطاقات بلورية ذات اتجاهات مختلفة. ونتيجة لذلك، تتشكل فيها ما يسميه العلماء حدود الحبيبات بين الجسيمات، مما قد يتسبب في تشقق البطارية أثناء دورة الشحن والتفريغ. ولمنع ذلك، قام شو وزملاؤه في مختبر أرجون الوطني بتطوير طبقة بوليمرية واقية تحيط بكل جسيم. تُحيط هذه الطبقة بالجسيمات الكروية الكبيرة والجسيمات الأصغر الموجودة بداخلها.
ثمة طريقة أخرى لتجنب هذا النوع من التصدع وهي استخدام جزيئات أحادية البلورة. وقد أظهر الفحص المجهري الإلكتروني لهذه الجزيئات أنها لا تحتوي على حدود.
تمثلت المشكلة التي واجهها الفريق في أن الكاثودات المصنوعة من البلورات المتعددة المطلية والبلورات الأحادية لا تزال تتشقق أثناء دورات الشحن والتفريغ. ولذلك، أجروا تحليلاً معمقاً لمواد الكاثود هذه في مصدر الفوتونات المتقدم (APS) ومركز المواد النانوية (CNM) التابع لمركز أرغون للعلوم بوزارة الطاقة الأمريكية.
أُجريت تحليلاتٌ مختلفةٌ بالأشعة السينية على خمسة أذرع من مادة APS (11-BM، 20-BM، 2-ID-D، 11-ID-C، و34-ID-E). واتضح أن ما اعتقد العلماء أنه بلورةٌ أحادية، كما أظهرته المجهرية الإلكترونية ومجهر الأشعة السينية، كان في الواقع ذا حدودٍ داخلية. وقد أكدت المجهرية الإلكترونية الماسحة والنافذة للمواد النانوية الكربونية هذه النتيجة.
قال الفيزيائي وينجون ليو: "عندما نظرنا إلى مورفولوجيا سطح هذه الجسيمات، بدت وكأنها بلورات أحادية". "<" 但是، يوجد لدينا وكالة APS للأجهزة المحمولة X "لا يوجد شيء أفضل من ذلك بكثير." 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، لقد قمت بذلك بالفعل."ومع ذلك، عندما استخدمنا تقنية تسمى مجهر حيود الأشعة السينية السنكروترونية وتقنيات أخرى في APS، وجدنا أن الحدود كانت مخفية في الداخل."
الأهم من ذلك، أن الفريق قد طور طريقة لإنتاج بلورات أحادية بدون حدود. أظهر اختبار الخلايا الصغيرة المزودة بهذا المهبط أحادي البلورة عند فولتيات عالية جدًا زيادة بنسبة 25% في تخزين الطاقة لكل وحدة حجم، مع عدم وجود أي انخفاض يُذكر في الأداء على مدار 100 دورة اختبار. في المقابل، أظهرت مهابط NMC المكونة من بلورات أحادية متعددة الأسطح أو بلورات متعددة مطلية انخفاضًا في السعة يتراوح بين 60% و88% خلال نفس العمر الافتراضي.
تكشف حسابات على المستوى الذري آلية انخفاض سعة الكاثود. ووفقًا لماريا تشانغ، عالمة النانو في مركز CNM، فإنّ الحدود أكثر عرضة لفقدان ذرات الأكسجين عند شحن البطارية مقارنةً بالمناطق الأبعد عنها. ويؤدي هذا الفقدان للأكسجين إلى تدهور دورة الخلية.
وقال تشان: "توضح حساباتنا كيف يمكن أن يؤدي الحد الفاصل إلى إطلاق الأكسجين تحت ضغط عالٍ، مما قد يؤدي إلى انخفاض الأداء".
يؤدي إزالة الحاجز إلى منع انطلاق الأكسجين، مما يحسن سلامة الكاثود واستقراره الدوري. وتؤكد قياسات انطلاق الأكسجين باستخدام مطياف الفوتونات المتقدمة (APS) ومصدر ضوئي متطور في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية هذه النتيجة.
"لدينا الآن إرشادات يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لصنع مواد الكاثود التي ليس لها حدود وتعمل تحت ضغط عالٍ"، كما قال خليل أمين، زميل أرغون الفخري. """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."" """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."""ينبغي تطبيق هذه الإرشادات على مواد الكاثود الأخرى غير 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 و Chengjun Sun و Tao Zhou و Ming Du و Zonghai Chen. 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).
نبذة عن مركز أرجون للمواد النانوية: يُعد مركز المواد النانوية، أحد مراكز أبحاث تقنية النانو الخمسة التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، المؤسسة الوطنية الرائدة في مجال أبحاث النانو متعددة التخصصات، بدعم من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. وتشكل مراكز أبحاث النانو الوطنية (NSRCs) مجتمعةً مجموعةً متكاملةً من المرافق التي تُزوّد ​​الباحثين بأحدث التقنيات لتصنيع ومعالجة وتوصيف ونمذجة المواد النانوية، وتمثل أكبر استثمار في البنية التحتية ضمن المبادرة الوطنية لتقنية النانو. يقع مركز أبحاث النانو الوطنية في مختبرات وزارة الطاقة الأمريكية الوطنية في أرجون، وبروكهافن، ولورانس بيركلي، وأوك ريدج، وسانديا، ولوس ألاموس. لمزيد من المعلومات حول مركز أبحاث النانو الوطنية التابع لوزارة الطاقة، يُرجى زيارة الرابط التالي: https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilitieties-at-aGlance.
يُعدّ مصدر الفوتونات المتقدم (APS) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرغون الوطني أحد أكثر مصادر الأشعة السينية إنتاجية في العالم. يوفر APS أشعة سينية عالية الكثافة لمجتمع بحثي متنوع في علوم المواد، والكيمياء، وفيزياء المادة المكثفة، وعلوم الحياة والبيئة، والبحوث التطبيقية. تُعدّ هذه الأشعة السينية مثالية لدراسة المواد والبنى البيولوجية، وتوزيع العناصر، والحالات الكيميائية والمغناطيسية والإلكترونية، والأنظمة الهندسية ذات الأهمية التقنية من جميع الأنواع، بدءًا من البطاريات وصولًا إلى فوهات حقن الوقود، والتي تُعدّ حيوية لاقتصادنا الوطني وتكنولوجيتنا وجسم الإنسان، أي أساس الصحة. في كل عام، يستخدم أكثر من 5000 باحث APS لنشر أكثر من 2000 منشور تُفصّل اكتشافات مهمة وتُحلّل بنى بروتينية بيولوجية أكثر أهمية من أي مركز أبحاث أشعة سينية آخر. يعمل علماء ومهندسو APS على تطبيق تقنيات مبتكرة تُشكّل أساسًا لتحسين أداء المُسرّعات ومصادر الضوء. يشمل ذلك أجهزة الإدخال التي تنتج أشعة سينية ساطعة للغاية تحظى بتقدير الباحثين، والعدسات التي تركز الأشعة السينية إلى بضعة نانومترات، والأجهزة التي تزيد من طريقة تفاعل الأشعة السينية مع العينة قيد الدراسة، وجمع وإدارة اكتشافات APS. يولد البحث كميات هائلة من البيانات.
استخدمت هذه الدراسة موارد من مصدر الفوتون المتقدم، وهو مركز مستخدم تابع لمكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية، وتديره مختبرات أرغون الوطنية لصالح مكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية بموجب رقم العقد DE-AC02-06CH11357.
يسعى مختبر أرغون الوطني إلى حلّ المشكلات الملحة في مجال العلوم والتكنولوجيا المحلية. وبصفته أول مختبر وطني في الولايات المتحدة، يُجري أرغون أبحاثًا أساسية وتطبيقية رائدة في جميع التخصصات العلمية تقريبًا. ويتعاون باحثو أرغون تعاونًا وثيقًا مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والوكالات الفيدرالية والولائية والمحلية لمساعدتهم في حلّ مشكلات محددة، وتعزيز الريادة العلمية الأمريكية، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. ويعمل في أرغون موظفون من أكثر من 60 دولة، وتُشرف عليه شركة UChicago Argonne, LLC التابعة لمكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية.
يُعدّ مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أكبر جهة داعمة للبحوث الأساسية في العلوم الفيزيائية على مستوى البلاد، ويعمل على معالجة بعضٍ من أكثر القضايا إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات، تفضل بزيارة الموقع الإلكتروني https://energy.gov/science.