აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის (DOE) არგონის ნაციონალური ლაბორატორიის მკვლევრებს ლითიუმ-იონური ბატარეების სფეროში პიონერული აღმოჩენების დიდი ისტორია აქვთ. ამ შედეგებიდან ბევრი არის ბატარეის კათოდი, რომელსაც ეწოდება NMC, ნიკელის მანგანუმი და კობალტის ოქსიდი. ამ კათოდის ბატარეა ახლა კვებავს Chevrolet Bolt-ს.
არგონის მკვლევარებმა მიაღწიეს კიდევ ერთ მიღწევას NMC კათოდებში. გუნდის ახალ პაწაწინა კათოდური ნაწილაკების სტრუქტურას შეუძლია ბატარეა უფრო გამძლე და უსაფრთხო გახადოს, შეუძლია იმუშაოს ძალიან მაღალ ძაბვაზე და უზრუნველყოს გრძელი მოგზაურობის დიაპაზონი.
„ახლა გვაქვს მითითებები, რომლითაც ბატარეის მწარმოებლებს შეუძლიათ გამოიყენონ მაღალი წნევის, უსაზღვრო კათოდური მასალების დასამზადებლად“, — ხალილ ამინი, Argonne Fellow Fellow.
„არსებული NMC კათოდები წარმოადგენენ დიდ დაბრკოლებას მაღალი ძაბვის მუშაობისთვის“, - თქვა ქიმიკოსის ასისტენტმა გილიანგ ქსუს. მუხტი-გამონადენის ციკლით, შესრულება სწრაფად იკლებს კათოდის ნაწილაკებში ბზარების წარმოქმნის გამო. ათწლეულების განმავლობაში ბატარეის მკვლევარები ეძებდნენ გზებს ამ ბზარების შესაკეთებლად.
წარსულში ერთ-ერთი მეთოდი იყენებდა პაწაწინა სფერულ ნაწილაკებს, რომლებიც შედგებოდა მრავალი გაცილებით მცირე ნაწილაკებისგან. დიდი სფერული ნაწილაკები პოლიკრისტალურია, სხვადასხვა ორიენტაციის კრისტალური დომენებით. შედეგად, მათ აქვთ ის, რასაც მეცნიერები უწოდებენ მარცვლის საზღვრებს ნაწილაკებს შორის, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის ბზარი ციკლის დროს. ამის თავიდან ასაცილებლად Xu და Argonne-ის კოლეგებმა ადრე შეიმუშავეს დამცავი პოლიმერული საფარი თითოეული ნაწილაკების გარშემო. ეს საფარი გარს აკრავს დიდ სფერულ ნაწილაკებს და მათში არსებულ პატარა ნაწილაკებს.
ამ სახის ბზარების თავიდან აცილების კიდევ ერთი გზა არის ერთკრისტალური ნაწილაკების გამოყენება. ამ ნაწილაკების ელექტრონულმა მიკროსკოპამ აჩვენა, რომ მათ არ აქვთ საზღვრები.
გუნდის პრობლემა ის იყო, რომ დაფარული პოლიკრისტალებისა და ერთკრისტალებისგან დამზადებული კათოდები კვლავ ბზარიდნენ ველოსიპედის დროს. ამიტომ, მათ ჩაატარეს ამ კათოდური მასალების ვრცელი ანალიზი Advanced Photon Source (APS) და ნანომასალების ცენტრში (CNM) აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის არგონის სამეცნიერო ცენტრში.
სხვადასხვა რენტგენოლოგიური ანალიზი ჩატარდა ხუთ APS ჯგუფზე (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C და 34-ID-E). ირკვევა, რომ ის, რაც მეცნიერებს მიაჩნდათ, იყო ერთკრისტალი, როგორც ეს ელექტრონული და რენტგენის მიკროსკოპით აჩვენა, სინამდვილეში ჰქონდა საზღვარი შიგნით. CNM-ების სკანირებამ და გადაცემის ელექტრონულმა მიკროსკოპამ დაადასტურა ეს დასკვნა.
„როდესაც ამ ნაწილაკების ზედაპირულ მორფოლოგიას ვუყურებდით, ისინი ერთკრისტალებს ჰგავდნენ“, - თქვა ფიზიკოსმა ვენჯუნ ლიუმ. 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射线衍射显微镜的技术发现边界隐藏在内部." â� <“但是 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技们 发现 边界 隐藏 在。””თუმცა, როდესაც ჩვენ გამოვიყენეთ ტექნიკა, სახელწოდებით სინქროტრონული რენტგენის დიფრაქციული მიკროსკოპია და სხვა ტექნიკა APS-ში, აღმოვაჩინეთ, რომ საზღვრები შიგნით იყო დამალული.”
რაც მთავარია, გუნდმა შეიმუშავა მეთოდი ცალკრისტალების საზღვრების გარეშე წარმოებისთვის. ამ ერთკრისტალური კათოდით მცირე უჯრედების ტესტირებამ ძალიან მაღალ ძაბვაზე აჩვენა ენერგიის შენახვის 25%-ით ზრდა ერთეულ მოცულობით, 100 ტესტის ციკლზე მუშაობის პრაქტიკულად არ დაკარგვის გარეშე. ამის საპირისპიროდ, NMC კათოდებმა, რომლებიც შედგებოდა მრავალ ინტერფეისის ერთკრისტალებისგან ან დაფარული პოლიკრისტალებისგან, აჩვენებდნენ სიმძლავრის ვარდნას 60%-დან 88%-მდე იმავე სიცოცხლის მანძილზე.
ატომური მასშტაბის გამოთვლები ცხადყოფს კათოდის ტევადობის შემცირების მექანიზმს. CNM-ის ნანომეცნიერის მარია ჩანგის თქმით, ბატარეის დამუხტვის დროს საზღვრები უფრო მეტად კარგავენ ჟანგბადის ატომებს, ვიდრე მათგან უფრო შორს. ჟანგბადის ეს დაკარგვა იწვევს უჯრედული ციკლის დეგრადაციას.
”ჩვენი გამოთვლები აჩვენებს, თუ როგორ შეიძლება საზღვარმა გამოიწვიოს ჟანგბადის გამოყოფა მაღალი წნევის დროს, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მუშაობის შემცირება,” - თქვა ჩანმა.
საზღვრის აღმოფხვრა ხელს უშლის ჟანგბადის ევოლუციას, რითაც აუმჯობესებს კათოდის უსაფრთხოებას და ციკლურ სტაბილურობას. ამ დასკვნას ადასტურებს ჟანგბადის ევოლუციის გაზომვები APS-ით და განვითარებული სინათლის წყარო აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში.
„ახლა ჩვენ გვაქვს გაიდლაინები, რომლებიც ბატარეების მწარმოებლებს შეუძლიათ გამოიყენონ კათოდური მასალების დასამზადებლად, რომლებსაც არ აქვთ საზღვრები და მუშაობენ მაღალი წნევით“, - თქვა ხალილ ამინმა, არგონის ემერიტუსმა. 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。“”სახელმძღვანელო უნდა მიმართოს კათოდურ მასალებს, გარდა NMC.”
ამ კვლევის შესახებ სტატია გამოქვეყნდა ჟურნალში Nature Energy. Xu, Amin, Liu და Chang-ის გარდა, არგონის ავტორები არიან Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, ჩენჯუნ სუნი, ტაო ჟოუ, მინგ დუ და ზონგაი ჩენი. მეცნიერები ლოურენს ბერკლის ეროვნული ლაბორატორიიდან (ვანლი იანგი, ქინტიან ლი და ზენგცინგ ჟუო), სიმენის უნივერსიტეტი (ჯინ-ჯინგი ფანი, ლინგ ჰუანგ და ში-განგ სუნი) და ცინგხუას უნივერსიტეტი (დონშენგ რენი, ქსუნინგ ფენგი და მინგაო ოუიანგი).
არგონის ნანომასალების ცენტრის შესახებ ნანომასალების ცენტრი, შეერთებული შტატების ენერგეტიკის დეპარტამენტის ნანოტექნოლოგიის კვლევითი ცენტრიდან ერთ-ერთი, არის ნანომასალათაშორისი კვლევის მთავარი ეროვნული მომხმარებელი, რომელსაც მხარს უჭერს აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი. NSRC-ები ერთად ქმნიან დამატებითი საშუალებების კომპლექტს, რომლებიც მკვლევარებს უზრუნველჰყოფენ ნანომასშტაბიანი მასალების დამზადების, დამუშავების, დახასიათებისა და მოდელირების უახლესი შესაძლებლობებით და წარმოადგენს უდიდეს ინფრასტრუქტურულ ინვესტიციას ეროვნული ნანოტექნოლოგიური ინიციატივის ფარგლებში. NSRC მდებარეობს აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის ეროვნულ ლაბორატორიებში არგონში, ბრუკჰავენში, ლოურენს ბერკლიში, ოუკ რიჯში, სანდიაში და ლოს ალამოსში. დამატებითი ინფორმაციისთვის NSRC DOE-ს შესახებ ეწვიეთ https://​science​.osti.gov/​User​-​Fa​cilit​​ie​s ერთი შეხედვით.
აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის გაფართოებული ფოტონის წყარო (APS) არგონის ეროვნულ ლაბორატორიაში არის ერთ-ერთი ყველაზე პროდუქტიული რენტგენის წყარო მსოფლიოში. APS უზრუნველყოფს მაღალი ინტენსივობის რენტგენის სხივებს მრავალფეროვან კვლევით საზოგადოებას მასალების მეცნიერებაში, ქიმიაში, შედედებული მატერიის ფიზიკაში, სიცოცხლისა და გარემოსდაცვითი მეცნიერებებისა და გამოყენებითი კვლევების სფეროში. ეს რენტგენის სხივები იდეალურია მასალებისა და ბიოლოგიური სტრუქტურების შესასწავლად, ელემენტების განაწილებისთვის, ქიმიური, მაგნიტური და ელექტრონული მდგომარეობების და ყველა სახის ტექნიკურად მნიშვნელოვანი საინჟინრო სისტემებისთვის, ბატარეებიდან დაწყებული საწვავის ინჟექტორის საქშენებამდე, რაც სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია ჩვენი ეროვნული ეკონომიკისთვის, ტექნოლოგიებისთვის. . და სხეული ჯანმრთელობის საფუძველი. ყოველწლიურად 5000-ზე მეტი მკვლევარი იყენებს APS-ს, რათა გამოაქვეყნოს 2000-ზე მეტი პუბლიკაცია, სადაც დეტალურადაა აღწერილი მნიშვნელოვანი აღმოჩენები და უფრო მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური ცილის სტრუქტურების ამოხსნა, ვიდრე ნებისმიერი სხვა რენტგენის კვლევითი ცენტრის მომხმარებლები. APS-ის მეცნიერები და ინჟინრები ახორციელებენ ინოვაციურ ტექნოლოგიებს, რომლებიც საფუძველია ამაჩქარებლების და სინათლის წყაროების მუშაობის გაუმჯობესებისთვის. ეს მოიცავს შეყვანის მოწყობილობებს, რომლებიც აწარმოებენ ძალიან კაშკაშა რენტგენის სხივებს, რომლებსაც მკვლევარები აფასებენ, ლინზებს, რომლებიც ფოკუსირებენ რენტგენის სხივებს რამდენიმე ნანომეტრამდე, ინსტრუმენტებს, რომლებიც მაქსიმალურად ახდენენ რენტგენის ურთიერთქმედებას შესწავლილ ნიმუშთან და APS აღმოჩენების შეგროვებას და მართვას. კვლევა წარმოქმნის მონაცემთა უზარმაზარ მოცულობას.
ამ კვლევამ გამოიყენა რესურსები Advanced Photon Source-დან, აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისის მომხმარებლის ცენტრიდან, რომელსაც მართავს არგონის ეროვნული ლაბორატორია აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისისთვის კონტრაქტის ნომრით DE-AC02-06CH11357.
არგონის ეროვნული ლაბორატორია ცდილობს გადაჭრას შიდა მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების აქტუალური პრობლემები. როგორც პირველი ეროვნული ლაბორატორია შეერთებულ შტატებში, არგონი ახორციელებს უახლესი ძირითადი და გამოყენებითი კვლევების პრაქტიკულად ყველა სამეცნიერო დისციპლინაში. არგონის მკვლევარები მჭიდროდ თანამშრომლობენ ასობით კომპანიის, უნივერსიტეტის და ფედერალური, სახელმწიფო და მუნიციპალური სააგენტოების მკვლევარებთან, რათა დაეხმარონ მათ კონკრეტული პრობლემების გადაჭრაში, აშშ-ს სამეცნიერო ლიდერობის წინსვლაში და ერის მომზადებაში უკეთესი მომავლისთვის. Argonne-ში დასაქმებულია თანამშრომლები 60-ზე მეტი ქვეყნიდან და მას მართავს UChicago Argonne, შპს აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი.
აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი არის ფიზიკურ მეცნიერებებში საბაზისო კვლევის ერის უდიდესი მომხრე, რომელიც მუშაობს ჩვენი დროის ზოგიერთი ყველაზე აქტუალური საკითხის გადასაჭრელად. დამატებითი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ https://energy.gov/​science​ience.