აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის (DOE) არგონის ეროვნული ლაბორატორიის მკვლევარებს ლითიუმ-იონური აკუმულატორების სფეროში პიონერული აღმოჩენების ხანგრძლივი ისტორია აქვთ. ამ შედეგების უმეტესობა ეხება აკუმულატორის კათოდს, რომელსაც NMC ეწოდება, ნიკელ-მანგანუმს და კობალტის ოქსიდს. ამ კათოდის მქონე აკუმულატორი ამჟამად Chevrolet Bolt-ს კვებავს.
არგონის მკვლევარებმა NMC კათოდებში კიდევ ერთ მიღწევას მიაღწიეს. გუნდის მიერ შექმნილი ახალი პაწაწინა კათოდური ნაწილაკების სტრუქტურა შესაძლოა აკუმულატორს უფრო გამძლე და უსაფრთხო გახადოს, რომელსაც ძალიან მაღალი ძაბვით მუშაობა და უფრო ხანგრძლივი მოქმედების დიაპაზონის უზრუნველყოფა შეეძლება.
„ახლა ჩვენ გვაქვს რეკომენდაციები, რომელთა გამოყენებაც ელემენტების მწარმოებლებს შეუძლიათ მაღალი წნევის, უსაზღვრო კათოდური მასალების დასამზადებლად“, - ხალილ ამინი, არგონის უნივერსიტეტის დამსახურებული სტიპენდიანტი.
„არსებული NMC კათოდები მაღალი ძაბვის მუშაობისთვის მნიშვნელოვან დაბრკოლებას წარმოადგენს“, - თქვა ქიმიკოსის ასისტენტმა გილიანგ სიუმ. მუხტ-განმუხტვის ციკლის დროს, კათოდის ნაწილაკებში ბზარების წარმოქმნის გამო, მუშაობა სწრაფად ეცემა. ათწლეულების განმავლობაში, ელემენტების მკვლევარები ეძებენ ამ ბზარების აღდგენის გზებს.
წარსულში ერთ-ერთი მეთოდი იყენებდა პაწაწინა სფერულ ნაწილაკებს, რომლებიც შედგებოდა ბევრად უფრო პატარა ნაწილაკებისგან. დიდი სფერული ნაწილაკები პოლიკრისტალურია, სხვადასხვა ორიენტაციის კრისტალური დომენებით. შედეგად, მათ აქვთ ის, რასაც მეცნიერები ნაწილაკებს შორის მარცვლოვან საზღვრებს უწოდებენ, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის გაბზარვა ციკლის დროს. ამის თავიდან ასაცილებლად, სიუს და არგონის კოლეგებმა ადრე შეიმუშავეს დამცავი პოლიმერული საფარი თითოეული ნაწილაკის გარშემო. ეს საფარი გარს აკრავს დიდ სფერულ ნაწილაკებს და მათში არსებულ პატარა ნაწილაკებს.
ამ ტიპის ბზარების თავიდან აცილების კიდევ ერთი გზაა მონოკრისტალური ნაწილაკების გამოყენება. ამ ნაწილაკების ელექტრონულმა მიკროსკოპიამ აჩვენა, რომ მათ საზღვრები არ აქვთ.
გუნდისთვის პრობლემა ის იყო, რომ დაფარული პოლიკრისტალებისა და მონოკრისტალებისგან დამზადებული კათოდები ციკლის დროს მაინც იბზარებოდა. ამიტომ, მათ ჩაატარეს ამ კათოდური მასალების ვრცელი ანალიზი აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის არგონის სამეცნიერო ცენტრის მოწინავე ფოტონების წყაროში (APS) და ნანომასალების ცენტრში (CNM).
სხვადასხვა რენტგენის ანალიზი ჩატარდა ხუთ APS მკლავზე (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C და 34-ID-E). აღმოჩნდა, რომ ის, რასაც მეცნიერები ერთკრისტალად თვლიდნენ, როგორც ეს ელექტრონული და რენტგენის მიკროსკოპიით დადასტურდა, სინამდვილეში შიგნით საზღვარი ჰქონდა. CNM-ების სკანირებამ და გამტარმა ელექტრონულმა მიკროსკოპიამ ეს დასკვნა დაადასტურა.
„როდესაც ამ ნაწილაკების ზედაპირულ მორფოლოგიას დავაკვირდით, 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其他技术时，我们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 技我们 发现 边界 隐藏 在。”„თუმცა, როდესაც APS-ში გამოვიყენეთ ტექნიკა, რომელსაც სინქროტრონული რენტგენის დიფრაქციული მიკროსკოპია ეწოდება და სხვა ტექნიკა, აღმოვაჩინეთ, რომ საზღვრები შიგნით იყო დამალული“.
მნიშვნელოვანია, რომ გუნდმა შეიმუშავა მეთოდი საზღვრების გარეშე მონოკრისტალების წარმოებისთვის. ამ მონოკრისტალური კათოდით ძალიან მაღალი ძაბვით მცირე ზომის უჯრედების ტესტირებამ აჩვენა ენერგიის შენახვის 25%-იანი ზრდა მოცულობის ერთეულზე, 100 სატესტო ციკლის განმავლობაში მუშაობის პრაქტიკულად უშედეგოდ დაკარგვის გარეშე. ამის საპირისპიროდ, მრავალინტერფეისიანი მონოკრისტალებისგან ან დაფარული პოლიკრისტალებისგან შემდგარმა NMC კათოდებმა აჩვენა სიმძლავრის 60%-დან 88%-მდე ვარდნა იმავე სიცოცხლის განმავლობაში.
ატომური მასშტაბის გამოთვლები ავლენს კათოდური ტევადობის შემცირების მექანიზმს. CNM-ის ნანომეცნიერის, მარია ჩანგის თქმით, ბატარეის დატენვისას საზღვრები უფრო მეტად კარგავს ჟანგბადის ატომებს, ვიდრე მათგან უფრო დაშორებული ადგილები. ჟანგბადის ეს დაკარგვა უჯრედული ციკლის დეგრადაციას იწვევს.
„ჩვენი გამოთვლები აჩვენებს, თუ როგორ შეიძლება საზღვარმა გამოიწვიოს ჟანგბადის გამოყოფა მაღალი წნევის ქვეშ, რამაც შეიძლება შეამციროს ეფექტურობა“, - თქვა ჩანმა.
საზღვრის აღმოფხვრა ხელს უშლის ჟანგბადის გამოყოფას, რითაც აუმჯობესებს კათოდის უსაფრთხოებას და ციკლურ სტაბილურობას. ამ დასკვნას ადასტურებს აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში APS-ის და მოწინავე სინათლის წყაროს გამოყენებით ჟანგბადის გამოყოფის გაზომვები.
„ახლა ჩვენ გვაქვს სახელმძღვანელო პრინციპები, რომელთა გამოყენებაც ელემენტების მწარმოებლებს შეუძლიათ ისეთი კათოდური მასალების დასამზადებლად, რომლებსაც საზღვრები არ აქვთ და მაღალი წნევის ქვეშ მუშაობენ“, - განაცხადა ხალილ ამინმა, არგონის უნივერსიტეტის დამსახურებულმა სტიპენდიანტმა. 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。“„ინსტრუქციები უნდა გავრცელდეს NMC-ს გარდა სხვა კათოდური მასალების შესახებაც.“
ამ კვლევის შესახებ სტატია გამოქვეყნდა ჟურნალში Nature Energy. Xu, Amin, Liu და Chang-ის გარდა, Argonne-ის 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, Zhanzhun, Zhunzhung. 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).
ნანომასალების არგონის ცენტრის შესახებ ნანომასალების ცენტრი, აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის ხუთი ნანოტექნოლოგიური კვლევითი ცენტრიდან ერთ-ერთი, წარმოადგენს ინტერდისციპლინარული ნანომასშტაბიანი კვლევის წამყვან ეროვნულ მომხმარებელს, რომელსაც მხარს უჭერს აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი. ერთად, NSRC-ები ქმნიან დამატებითი ობიექტების ნაკრებს, რომლებიც მკვლევარებს აწვდიან ნანომასშტაბიანი მასალების დამზადების, დამუშავების, დახასიათებისა და მოდელირების უახლეს შესაძლებლობებს და წარმოადგენენ ეროვნული ნანოტექნოლოგიური ინიციატივის ფარგლებში ინფრასტრუქტურაში განხორციელებულ უდიდეს ინვესტიციას. NSRC მდებარეობს აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის ეროვნულ ლაბორატორიებში არგონში, ბრუკჰეივენში, ლოურენს ბერკლიში, ოუკ რიჯში, სანდიასა და ლოს ალამოსში. NSRC DOE-ს შესახებ დამატებითი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ https://science.osti.gov/User-Faci-lit-ies-s/ Us er-Faci-lit-ieies-at-a-Glance.
აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მოწინავე ფოტონის წყარო (APS) არგონის ეროვნულ ლაბორატორიაში მსოფლიოში ერთ-ერთი ყველაზე პროდუქტიული რენტგენის წყაროა. APS მაღალი ინტენსივობის რენტგენის სხივებს აწვდის მასალათმცოდნეობის, ქიმიის, კონდენსირებული მატერიის ფიზიკის, სიცოცხლისა და გარემოსდაცვითი მეცნიერებებისა და გამოყენებითი კვლევების მრავალფეროვან კვლევით საზოგადოებას. ეს რენტგენის სხივები იდეალურია მასალებისა და ბიოლოგიური სტრუქტურების, ელემენტების განაწილების, ქიმიური, მაგნიტური და ელექტრონული მდგომარეობების და ყველა სახის ტექნიკურად მნიშვნელოვანი საინჟინრო სისტემების შესასწავლად, აკუმულატორებიდან დაწყებული საწვავის ინჟექტორის საქშენებით დამთავრებული, რომლებიც სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია ჩვენი ეროვნული ეკონომიკისთვის, ტექნოლოგიებისა და სხეულისთვის. ეს არის ჯანმრთელობის საფუძველი. ყოველწლიურად 5000-ზე მეტი მკვლევარი იყენებს APS-ს 2000-ზე მეტი პუბლიკაციის გამოსაქვეყნებლად, სადაც დეტალურად არის აღწერილი მნიშვნელოვანი აღმოჩენები და უფრო მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური ცილოვანი სტრუქტურების ამოხსნა, ვიდრე ნებისმიერი სხვა რენტგენის კვლევითი ცენტრის მომხმარებლები. APS-ის მეცნიერები და ინჟინრები ნერგავენ ინოვაციურ ტექნოლოგიებს, რომლებიც ამაჩქარებლებისა და სინათლის წყაროების მუშაობის გაუმჯობესების საფუძველია. ეს მოიცავს შეყვანის მოწყობილობებს, რომლებიც წარმოქმნიან უკიდურესად კაშკაშა რენტგენის სხივებს, რომლებსაც მკვლევარები აფასებენ, ლინზებს, რომლებიც რენტგენის სხივებს რამდენიმე ნანომეტრამდე ფოკუსირებენ, ინსტრუმენტებს, რომლებიც მაქსიმალურად ზრდიან რენტგენის სხივების ურთიერთქმედებას შესწავლილ ნიმუშთან და APS აღმოჩენების შეგროვებასა და მართვას. კვლევა მონაცემთა უზარმაზარ მოცულობებს წარმოქმნის.
კვლევაში გამოყენებული იქნა Advanced Photon Source-ის რესურსები, აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის სამეცნიერო ოფისის მომხმარებელთა ცენტრი, რომელსაც მართავს არგონის ეროვნული ლაბორატორია აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის სამეცნიერო ოფისისთვის, კონტრაქტის ნომრით DE-AC02-06CH11357.
არგონის ეროვნული ლაბორატორია ცდილობს გადაჭრას შიდა მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების აქტუალური პრობლემები. როგორც ამერიკის შეერთებული შტატების პირველი ეროვნული ლაბორატორია, არგონი ატარებს უახლეს საბაზისო და გამოყენებით კვლევას 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-ის სამეცნიერო ლიდერობის წინ წაწევასა და ერის უკეთესი მომავლისთვის მომზადებაში. არგონში დასაქმებულია თანამშრომლები 60-ზე მეტი ქვეყნიდან და მას მართავს აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისის UChicago Argonne, LLC.
აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისი ფიზიკურ მეცნიერებებში ფუნდამენტური კვლევების უდიდესი მხარდამჭერია ქვეყანაში, რომელიც ჩვენი დროის ზოგიერთი ყველაზე აქტუალური საკითხის გადაჭრაზე მუშაობს. დამატებითი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ https://energy.gov/science.