للباحثين في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية تاريخ طويل من الاكتشافات الرائدة في مجال بطاريات أيونات الليثيوم. وتتعلق العديد من هذه النتائج بكاثود البطارية، المسمى NMC، والنيكل والمنجنيز، وأكسيد الكوبالت. وتُستخدم الآن بطارية مزودة بهذا الكاثود لتشغيل سيارة شيفروليه بولت.
حقق باحثو أرجون إنجازًا جديدًا في مجال كاثودات NMC. يمكن لبنية جسيمات الكاثود الصغيرة الجديدة التي ابتكرها الفريق أن تجعل البطارية أكثر متانة وأمانًا، وقادرة على العمل بجهد عالٍ جدًا، وتوفر مدى سفر أطول.
"لدينا الآن إرشادات يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لصنع مواد الكاثود عالية الضغط والتي لا تحتوي على حدود"، خليل أمين، زميل فخري في معهد أرجون.
قال الكيميائي المساعد غويليانغ شو: "تُشكّل كاثودات NMC الحالية عائقًا كبيرًا أمام أعمال الجهد العالي". فمع دورة الشحن والتفريغ، ينخفض ​​الأداء بسرعة بسبب تكوّن الشقوق في جزيئات الكاثود. ولعقود، بحث باحثو البطاريات عن طرق لإصلاح هذه الشقوق.
استخدمت إحدى الطرق السابقة جسيمات كروية صغيرة مكونة من جسيمات أصغر بكثير. الجسيمات الكروية الكبيرة متعددة البلورات، ذات مجالات بلورية ذات اتجاهات مختلفة. ونتيجة لذلك، تتميز بما يُطلق عليه العلماء "حدود الحبيبات" بين الجسيمات، مما قد يُسبب تشقق البطارية أثناء دورة التشغيل. ولمنع ذلك، طوّر زملاء شو وأرغون سابقًا طبقة بوليمر واقية حول كل جسيم. تُحيط هذه الطبقة بالجسيمات الكروية الكبيرة والجسيمات الأصغر داخلها.
طريقة أخرى لتجنب هذا النوع من التشقق هي استخدام جسيمات بلورية مفردة. أظهر المجهر الإلكتروني لهذه الجسيمات عدم وجود حدود لها.
تمثلت مشكلة الفريق في أن الكاثودات المصنوعة من بلورات متعددة مطلية وبلورات مفردة لا تزال تتشقق أثناء الدورة. لذلك، أجروا تحليلًا موسعًا لمواد الكاثود هذه في مختبر مصدر الفوتون المتقدم (APS) ومركز المواد النانوية (CNM) التابعين لمركز أرجون للعلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
أُجريت تحاليل أشعة سينية مختلفة على خمسة أذرع APS (11-BM، 20-BM، 2-ID-D، 11-ID-C، و34-ID-E). وتبين أن ما ظنه العلماء بلورة مفردة، كما هو موضح بالمجهر الإلكتروني ومجهر الأشعة السينية، كان في الواقع يحتوي على حدود داخلية. وقد أكد المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ لـ CNMs هذا الاستنتاج.
وقال الفيزيائي وينجون ليو: "عندما نظرنا إلى مورفولوجيا سطح هذه الجسيمات، بدت وكأنها بلورات مفردة". "<" 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 طوّر طريقةً لإنتاج بلورات مفردة دون حدود. أظهر اختبار الخلايا الصغيرة باستخدام هذا الكاثود البلوري المفرد عند جهد عالٍ جدًا زيادةً في تخزين الطاقة بنسبة 25% لكل وحدة حجم، مع انعدامٍ شبه تام في الأداء على مدار 100 دورة اختبار. في المقابل، أظهرت كاثودات NMC، المكونة من بلورات مفردة متعددة الواجهات أو بلورات متعددة مغلفة، انخفاضًا في السعة بنسبة 60% إلى 88% خلال نفس العمر الافتراضي.
تكشف الحسابات على المستوى الذري عن آلية انخفاض سعة الكاثود. ووفقًا لماريا تشانغ، عالمة النانو في المركز الوطني للفيزياء النانوية، فإن الحدود أكثر عرضة لفقدان ذرات الأكسجين عند شحن البطارية مقارنةً بالمناطق البعيدة عنها. يؤدي هذا الفقدان للأكسجين إلى تدهور دورة الخلية.
وقال تشان: "تظهر حساباتنا كيف يمكن للحدود أن تؤدي إلى إطلاق الأكسجين تحت ضغط مرتفع، مما قد يؤدي إلى انخفاض الأداء".
إزالة الحد الفاصل يمنع انبعاث الأكسجين، مما يُحسّن سلامة واستقرار الكاثود الدوري. وتؤكد قياسات انبعاث الأكسجين باستخدام APS ومصدر ضوء متطور في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية هذا الاستنتاج.
وقال خليل أمين، الزميل الفخري في معهد أرجون: "لدينا الآن إرشادات يمكن لمصنعي البطاريات استخدامها لصنع مواد الكاثود التي لا حدود لها وتعمل تحت ضغط مرتفع". """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."" """إن هذا هو ما يحدث الآن في NMC."""ينبغي تطبيق الإرشادات على مواد الكاثود 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).
حول مركز أرجون للمواد النانوية: يُعد مركز المواد النانوية، أحد خمسة مراكز أبحاث تكنولوجيا النانو التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، المؤسسة الوطنية الرائدة في مجال أبحاث النانو متعددة التخصصات، بدعم من مكتب العلوم التابع للوزارة. تُشكل مراكز البحوث الوطنية للمواد النانوية (NSRCs) معًا مجموعة من المرافق المتكاملة التي تُزود الباحثين بأحدث القدرات لتصنيع ومعالجة وتوصيف ونمذجة المواد النانوية، وتُمثل أكبر استثمار في البنية التحتية ضمن المبادرة الوطنية لتكنولوجيا النانو. يقع مركز البحوث الوطنية للمواد النانوية في المختبرات الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية في أرجون، وبروكهافن، ولورانس بيركلي، وأوك ريدج، وسانديا، ولوس ألاموس. لمزيد من المعلومات حول وزارة الطاقة التابعة للمجلس الوطني للبحوث العلمية، تفضل بزيارة 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.
يُعد مصدر الفوتون المتقدم (APS) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرجون 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. تُعد هذه الأشعة السينية مثالية لدراسة المواد والهياكل البيولوجية وتوزيع العناصر والحالات الكيميائية والمغناطيسية والإلكترونية والأنظمة الهندسية المهمة تقنيًا من جميع الأنواع، من البطاريات إلى فوهات حاقن الوقود، والتي تعد حيوية لاقتصادنا الوطني والتكنولوجيا. والجسم أساس الصحة. في كل عام، يستخدم أكثر من 5000 باحث APS لنشر أكثر من 2000 منشور يفصل اكتشافات مهمة ويحل هياكل بروتينية بيولوجية أكثر أهمية من مستخدمي أي مركز أبحاث آخر للأشعة السينية. يطبق علماء ومهندسو APS تقنيات مبتكرة تشكل أساسًا لتحسين أداء المسرعات ومصادر الضوء. يتضمن ذلك أجهزة الإدخال التي تنتج أشعة سينية شديدة السطوع والتي يقدرها الباحثون، والعدسات التي تركز الأشعة السينية حتى بضعة نانومتر، والأجهزة التي تعمل على تعظيم الطريقة التي تتفاعل بها الأشعة السينية مع العينة قيد الدراسة، وجمع وإدارة اكتشافات APS. يولد البحث كميات هائلة من البيانات.
استفادت هذه الدراسة من الموارد المقدمة من Advanced Photon Source، وهو مركز لمستخدمي مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، والذي تديره مختبرات أرجون الوطنية لصالح مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بموجب رقم العقد DE-AC02-06CH11357.
يسعى مختبر أرجون الوطني جاهدًا لحل المشكلات الملحة في مجال العلوم والتكنولوجيا المحلية. وبصفته أول مختبر وطني في الولايات المتحدة، يُجري أرجون أبحاثًا أساسية وتطبيقية متطورة في جميع التخصصات العلمية تقريبًا. ويعمل باحثو أرجون بشكل وثيق مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والهيئات الفيدرالية والولائية والبلدية لمساعدتهم على حل مشكلات محددة، وتعزيز الريادة العلمية الأمريكية، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. ويعمل في أرجون موظفون من أكثر من 60 دولة، وتديره شركة يو شيكاغو أرجون، ذ.م.م.، التابعة لمكتب العلوم بوزارة الطاقة الأمريكية.
يُعدّ مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أكبر داعم للأبحاث الأساسية في العلوم الفيزيائية على مستوى البلاد، ويعمل على معالجة بعضٍ من أكثر قضايا عصرنا إلحاحًا. لمزيد من المعلومات، يُرجى زيارة https://energy.gov/science.