يتمتع الباحثون في مختبر الأرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بتاريخ طويل من الاكتشافات الرائدة في مجال بطاريات الليثيوم أيون. العديد من هذه النتائج مخصصة لكاثود البطارية ، وتسمى NMC ، والمنغنيز النيكل وأكسيد الكوبالت. بطارية مع هذا الكاثود الآن تعمل على تشغيل شيفروليه بولت.
لقد حقق باحثو الأرجون اختراقًا آخر في كاثودات NMC. يمكن أن يجعل بنية جسيمات الكاثود الصغيرة الجديدة للفريق البطارية أكثر متانة وأكثر أمانًا ، وقادرة على العمل في فولتية عالية جدًا وتوفير نطاقات سفر أطول.
"لدينا الآن إرشادات بأن مصنعي البطاريات يمكن أن تستخدمها لصنع مواد الكاثود ذات الضغط العالي ،" خليل أمين ، زميل Argonne فخري.
وقال مساعد الكيميائي جويليانغ شو: "تمثل كاثودات NMC الحالية عقبة كبيرة على أعمال الجهد العالي". مع ركوب الدراجات في تفريغ الشحن ، ينخفض ​​الأداء بسرعة بسبب تشكيل الشقوق في جزيئات الكاثود. لعقود من الزمن ، كان باحثو البطارية يبحثون عن طرق لإصلاح هذه الشقوق.
استخدمت إحدى الطرق في الماضي جزيئات كروية صغيرة تتكون من العديد من الجزيئات الأصغر بكثير. الجزيئات الكروية الكبيرة هي متعدد البلورات ، مع المجالات البلورية من اتجاهات مختلفة. نتيجة لذلك ، لديهم ما يسميه العلماء حدود الحبوب بين الجزيئات ، والتي يمكن أن تتسبب في كسر البطارية أثناء الدورة. لمنع ذلك ، قام زملاء Xu و Argonne في السابق بتطوير طلاء بوليمر واقعي حول كل جسيم. يحيط هذا الطلاء جزيئات كروية كبيرة وجزيئات أصغر داخلها.
هناك طريقة أخرى لتجنب هذا النوع من التكسير وهي استخدام جزيئات بلورية واحدة. أظهر المجهر الإلكتروني لهذه الجسيمات أنه ليس لديهم حدود.
كانت مشكلة الفريق هي أن الكاثودات المصنوعة من البلورات المطلية والبلورات المفردة لا تزال متشققة أثناء ركوب الدراجات. لذلك ، أجروا تحليلًا مكثفًا لمواد الكاثود هذه في مصدر الفوتون المتقدم (APS) ومركز المواد النانوية (CNM) في مركز Argonne Science التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
تم إجراء مختلف تحليلات الأشعة السينية على خمسة أذرع APS (11-BM و 20-BM و 2-ID-D و 11-ID-C و 34-ID-E). اتضح أن ما اعتقد العلماء كان بلورة واحدة ، كما هو موضح في المجهر الإلكترون والأشعة السينية ، كان لها بالفعل حدود في الداخل. أكد الفحص المجهري للإلكترون من CNMs هذا الاستنتاج.
قال الفيزيائي وينجون ليو: "عندما نظرنا إلى مورفولوجيا السطح لهذه الجسيمات ، بدا الأمر وكأنه بلورات واحدة". 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。" l <"但是 ， 当 在 使用 使用 使用 称为 同步 加速器 x 射线 射线 的 技术 其他 时 ， 我们 发现 边界 在。 在。 在。 在。 在。 在。 发现 发现 发现 发现 发现 发现 我们"ومع ذلك ، عندما استخدمنا تقنية تسمى المجهري حيود الأشعة السينية Synchrotron وغيرها من التقنيات في APS ، وجدنا أن الحدود كانت مخبأة في الداخل."
الأهم من ذلك ، طور الفريق طريقة لإنتاج بلورات واحدة دون حدود. أظهر اختبار الخلايا الصغيرة مع هذا الكاثود أحادي البلورة في الفولتية العالية للغاية زيادة بنسبة 25 ٪ في تخزين الطاقة لكل وحدة حجم مع عدم وجود خسارة في الأداء أكثر من 100 دورة اختبار. في المقابل ، أظهرت كاثودات NMC المكونة من بلورات واحدة متعددة الواجهات أو البلورات المهنية انخفاض سعة من 60 ٪ إلى 88 ٪ على نفس العمر.
تكشف حسابات المقياس الذري عن آلية الحد من سعة الكاثود. وفقًا لماريا تشانغ ، عالم نانوي في CNM ، من المرجح أن تفقد الحدود ذرات الأكسجين عندما يتم شحن البطارية من المناطق بعيدة عنها. هذا فقدان الأكسجين يؤدي إلى تدهور دورة الخلية.
وقال تشان: "توضح حساباتنا كيف يمكن أن تؤدي الحدود إلى إطلاق الأكسجين عند الضغط العالي ، مما قد يؤدي إلى انخفاض الأداء".
يمنع القضاء على الحدود تطور الأكسجين ، وبالتالي تحسين سلامة واستقرار الكاثود الدوري. تؤكد قياسات تطور الأكسجين مع APS ومصدر إضاءة متقدم في مختبر لورنس بيركلي الوطني لوزارة الطاقة الأمريكية هذا الاستنتاج.
وقال خليل أمين ، زميله في الأرجون ، "لدينا الآن إرشادات يمكن أن تستخدمها الشركات المصنعة للبطاريات لصنع مواد الكاثود التي لا تحتوي على حدود وتعمل في الضغط العالي". 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。""يجب أن تنطبق الإرشادات على مواد الكاثود بخلاف NMC."
ظهر مقال حول هذه الدراسة في مجلة Nature Energy. بالإضافة إلى شو ، أمين ، ليو وتشانغ ، فإن مؤلفي الأرجون هم شيانغ ليو ، فينكاتا سوريا تشيتانيا كولورو ، تشن تشاو ، شينوي تشو ، يوزي ليو ، ليانغ يينغ ، أمين دالي ، يانغ رين ، وينكان Xu ، Junjing deng ، inhui hwang ، Zonghai Chen. علماء من مختبر لورانس بيركلي الوطني (Wanli Yang ، و Qingtian LI ، و Zengqing Zhuo) ، وجامعة Xiamen (Jing-Jing Fan ، و Ling Huang و Shi-Gang Sun) وجامعة Tsinghua (Dongsheng Ren ، و Xuning Feng و Mingao Oeyang).
حول مركز Argonne للمواد النانوية ، يعد مركز المواد النانوية ، وهو واحد من خمسة مراكز لبحوث التكنولوجيا النانوية في وزارة الطاقة الأمريكية ، مؤسسة المستخدم الوطنية الأولى لأبحاث النانو النانوية متعددة التخصصات التي يدعمها مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. معًا ، تشكل NSRCs مجموعة من المنشآت التكميلية التي توفر للباحثين قدرات على أحدث طراز لتصنيع مواد المعالجة والمعالجة وتوصيفها ونمذجةها وتمثل أكبر استثمار في البنية التحتية في ظل مبادرة التكنولوجيا النانوية الوطنية. يقع NSRC في مختبرات وزارة الطاقة الأمريكية الوطنية في أرجون ، بروكهافن ، لورانس بيركلي ، أوك ريدج ، سانديا ، 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-f a c i l it ie s-at -a flance.
يعد مصدر الفوتون المتقدم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (APS) في مختبر Argonne الوطني أحد أكثر مصادر الأشعة السينية إنتاجية في العالم. يوفر APS الأشعة السينية عالية الكثافة لمجتمع البحوث المتنوعة في علوم المواد والكيمياء والفيزياء المكثفة للمادة والحياة والعلوم البيئية والأبحاث التطبيقية. تعتبر هذه الأشعة السينية مثالية لدراسة المواد والهياكل البيولوجية ، وتوزيع العناصر ، والحالات الكيميائية والمغناطيسية والإلكترونية ، والأنظمة الهندسية المهمة من الناحية الفنية من جميع الأنواع ، من البطاريات إلى فتحات حقن الوقود ، والتي تعتبر حيوية لاقتصادنا الوطني والتكنولوجيا. والجسم أساس الصحة. كل عام ، يستخدم أكثر من 5000 من الباحثين APS لنشر أكثر من 2000 منشور يوضح بالتفصيل الاكتشافات المهمة وحل هياكل البروتين البيولوجية الأكثر أهمية من مستخدمي أي مركز أبحاث الأشعة السينية الأخرى. يقوم علماء ومهندسي APS بتنفيذ تقنيات مبتكرة هي الأساس لتحسين أداء المسرعات ومصادر الضوء. يتضمن ذلك أجهزة إدخال تنتج الأشعة السينية المشرقة للغاية التي يحصل عليها الباحثون ، والعدسات التي تركز الأشعة السينية وصولاً على عدد قليل من أجهزة قياس النانوية ، والأدوات التي تزيد من الطريقة التي تتفاعل بها الأشعة السينية مع العينة قيد الدراسة ، ويولد جمع وإدارة أبحاث APS اكتشافات بيانات ضخمة.
استخدمت هذه الدراسة موارد من Superal Advanced Photon Source ، وهو مركز مستخدم وزارة الطاقة الأمريكية التي يديرها مختبر Argonne الوطني لوزارة الطاقة الأمريكية للعلوم بموجب رقم العقد DE-AC02-06CH11357.
يسعى مختبر Argonne الوطني إلى حل المشكلات الملحة للعلوم والتكنولوجيا المحلية. بصفته المختبر الوطني الأول في الولايات المتحدة ، تجري أرجون أبحاثًا أساسية وتطبيقية متطورة في كل تخصص علمي تقريبًا. يعمل باحثو الأرجون عن كثب مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والوكالات الفيدرالية والولائية والبلدية لمساعدتهم على حل مشاكل محددة ، وتعزيز القيادة العلمية الأمريكية ، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. توظف Argonne موظفين من أكثر من 60 دولة ويديرها Uchicago Argonne ، LLC من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
يعد مكتب العلوم في وزارة الطاقة الأمريكية أكبر مؤيد للبحث الأساسي في البلاد في العلوم الفيزيائية ، ويعمل على معالجة بعض القضايا الأكثر إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات ، تفضل بزيارة https: // energy .gov/science ieves.