АНУ-ын Эрчим хүчний яамны (DOE) Аргонн үндэсний лабораторийн судлаачид лити-ион батерейны салбарт анхдагч нээлтүүдийн урт түүхтэй. Эдгээр үр дүнгийн ихэнх нь NMC, никель манган, кобальтын исэл гэж нэрлэгддэг батерейны катодынх юм. Энэхүү катодтой батерей одоо Chevrolet Bolt-ийг ажиллуулдаг.
Аргоннийн судлаачид NMC катодын чиглэлээр дахин нэг нээлт хийлээ. Тус багийн шинэ жижиг катодын хэсгүүдийн бүтэц нь батерейг илүү бат бөх, аюулгүй болгож, маш өндөр хүчдэлд ажиллах чадвартай болгож, илүү урт зайд ажиллах боломжтой болгож байна.
"Бидэнд одоо батерей үйлдвэрлэгчид өндөр даралттай, хил хязгааргүй катодын материал үйлдвэрлэхэд ашиглаж болох удирдамж байна" гэж Аргоннийн хүндэт гишүүн Халил Амин хэлэв.
"Одоо байгаа NMC катодууд нь өндөр хүчдэлийн ажилд томоохон саад тотгор учруулж байна" гэж туслах химич Гуйлян Сюй хэлэв. Цэнэглэлт-цэнэг алдалтын мөчлөгийн улмаас катодын хэсгүүдэд ан цав үүссэний улмаас гүйцэтгэл хурдан буурдаг. Батерей судлаачид хэдэн арван жилийн турш эдгээр ан цавыг засах арга замыг хайж ирсэн.
Өмнө нь нэгэн арга нь олон жижиг хэсгүүдээс бүрдсэн жижиг бөмбөрцөг хэсгүүдийг ашигладаг байсан. Том бөмбөрцөг хэсгүүд нь янз бүрийн чиглэлтэй талст домэйнтэй поликристалл юм. Үүний үр дүнд тэдгээр нь бөөмсийн хооронд эрдэмтэд гэж нэрлэдэг үр тарианы хил хязгаартай байдаг бөгөөд энэ нь мөчлөгийн үеэр батерей хагарахад хүргэдэг. Үүнээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд Сюй, Аргонн нарын хамтрагчид өмнө нь бөөм бүрийн эргэн тойронд хамгаалалтын полимер бүрхүүл боловсруулсан. Энэхүү бүрхүүл нь том бөмбөрцөг хэсгүүд болон тэдгээрийн доторх жижиг хэсгүүдийг хүрээлдэг.
Энэ төрлийн хагарал үүсэхээс зайлсхийх өөр нэг арга бол дан талст бөөмс ашиглах явдал юм. Эдгээр бөөмсийн электрон микроскопоор харахад тэдгээр нь хил хязгааргүй болохыг харуулсан.
Багийн хувьд асуудал нь бүрсэн поликристал болон дан талстуудаас бүрдсэн катодууд нь мөчлөгийн үед хагарсаар байсан явдал байв. Тиймээс тэд АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Аргонн шинжлэх ухааны төвийн Дэвшилтэт Фотоны эх үүсвэр (APS) болон Наноматериалын төв (CNM)-д эдгээр катодын материалын өргөн хүрээтэй шинжилгээг хийсэн.
APS-ийн таван гар (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C болон 34-ID-E) дээр янз бүрийн рентген шинжилгээ хийсэн. Электрон болон рентген микроскопоор харуулснаар эрдэмтдийн дан талст гэж бодож байсан зүйл үнэндээ дотор нь хил хязгаартай байсан нь тогтоогджээ. CNM-ийн сканнердах болон дамжуулах электрон микроскопоор энэ дүгнэлтийг баталсан.
"Эдгээр бөөмсийн гадаргуугийн морфологийг харахад тэдгээр нь дан талст шиг харагдаж байсан" гэж физикч Вэнжун Лю хэлэв. 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 暄 显微镜 的 抌圶我们 发现 边界 隐藏 在。”"Гэсэн хэдий ч бид APS дээр синхротрон рентген дифракцийн микроскоп болон бусад техникийг ашиглахад хил хязгаар нь дотор нь нуугдсан байгааг олж мэдсэн."
Чухал зүйл бол баг хил хязгааргүй дан талст үйлдвэрлэх аргыг боловсруулсан явдал юм. Энэхүү дан талст катодтой жижиг эсүүдийг маш өндөр хүчдэлд турших нь нэгж эзэлхүүн тутамд энерги хадгалах чадварыг 25%-иар нэмэгдүүлж, 100 туршилтын мөчлөгийн туршид гүйцэтгэлийн алдагдал бараг гараагүй болохыг харуулсан. Үүний эсрэгээр олон интерфэйстэй дан талст эсвэл бүрсэн поликристалуудаас бүрдсэн NMC катодууд нь ижил хугацаанд багтаамжийн бууралтыг 60%-иас 88%-иар харуулсан.
Атомын хэмжээний тооцоолол нь катодын багтаамж буурах механизмыг харуулж байна. CNM-ийн нано эрдэмтэн Мария Чангийн хэлснээр, батерейг цэнэглэх үед хил хязгаар нь тэдгээрээс хол зайд орших хэсгүүдээс илүү хүчилтөрөгчийн атомуудыг алдах магадлал өндөр байдаг. Энэхүү хүчилтөрөгчийн алдагдал нь эсийн мөчлөгийн доройтолд хүргэдэг.
"Бидний тооцооллоор хил хязгаар нь өндөр даралттай үед хүчилтөрөгч ялгарахад хүргэж, улмаар гүйцэтгэл буурахад хүргэж болохыг харуулж байна" гэж Чан хэлэв.
Хил хязгаарыг арилгах нь хүчилтөрөгчийн ялгаралтыг зогсоож, улмаар катодын аюулгүй байдал, мөчлөгийн тогтвортой байдлыг сайжруулдаг. АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Лоуренс Берклигийн Үндэсний Лабораторийн APS болон дэвшилтэт гэрлийн эх үүсвэрээр хийсэн хүчилтөрөгчийн ялгарлын хэмжилтүүд энэ дүгнэлтийг баталж байна.
"Одоо бидэнд батерей үйлдвэрлэгчид хил хязгааргүй, өндөр даралттай ажилладаг катодын материалыг үйлдвэрлэхэд ашиглаж болох удирдамж бий болсон" гэж Аргоннийн хүндэт гишүүн Халил Амин хэлэв. 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。”"Удирдамжийг NMC-ээс бусад катодын материалд хэрэглэх ёстой."
Энэхүү судалгааны тухай нийтлэл Nature Energy сэтгүүлд гарчээ. Сюй, Амин, Лю, Чанг нараас гадна Аргонн зохиолчид нь Шиан Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чен Жао, Шинвэй Жоу, Юзи Лю, Лиан Ин, Амин Даали, Ян Рэн, Вэньчян Сю, Жунжинг Дэн, Инхуй Хуван, Дун Хуан, Дун Хун, Мөү, Дун Хуан, Дун Хун, Дун Хун, Сунха, М. Чен. Лоуренс Берклигийн үндэсний лабораторийн эрдэмтэд (Ванли Ян, Чинтиан Ли, Зэнчин Жуо), Шямэний их сургууль (Жин-Жин Фан, Лин Хуан, Ши-Ган Сун) болон Цинхуа их сургууль (Дуншен Рэн, Шүнинг Фэн, Мингао Оуян).
Аргонн Наноматериалын Төвийн тухай АНУ-ын Эрчим Хүчний Яамны нанотехнологийн судалгааны таван төвийн нэг болох Наноматериалын Төв нь АНУ-ын Эрчим Хүчний Яамны Шинжлэх Ухааны Газраас дэмждэг салбар дундын нано хэмжээний судалгааны үндэсний тэргүүлэгч хэрэглэгчийн байгууллага юм. NSRC-үүд нь хамтдаа судлаачдад нано хэмжээний материалыг үйлдвэрлэх, боловсруулах, тодорхойлох, загварчлах хамгийн сүүлийн үеийн чадавхийг олгодог нэмэлт байгууламжуудын багцыг бүрдүүлдэг бөгөөд Үндэсний Нанотехнологийн Санаачилгын хүрээнд хамгийн том дэд бүтцийн хөрөнгө оруулалтыг төлөөлдөг. NSRC нь Аргонн, Брукхейвен, Лоуренс Беркли, Оак Ридж, Сандиа, Лос Аламос дахь АНУ-ын Эрчим Хүчний Яамны Үндэсний Лабораториуд дээр байрладаг. NSRC DOE-ийн талаар дэлгэрэнгүй мэдээлэл авахыг хүсвэл https://science.osti.gov/Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​ie​s​/​Us​ er​-​F​a​c​i​it​ie​ie​s​​at​-a​Glance хаягаар зочилно уу.
АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Аргонн үндэсний лабораторийн дэвшилтэт фотоны эх үүсвэр (APS) нь дэлхийн хамгийн бүтээмжтэй рентген туяаны эх үүсвэрүүдийн нэг юм. APS нь материалын шинжлэх ухаан, хими, конденсацлагдсан бодисын физик, амьдрал ба хүрээлэн буй орчны шинжлэх ухаан, хэрэглээний судалгааны чиглэлээр олон төрлийн судалгааны нийгэмлэгт өндөр эрчимтэй рентген туяагаар хангадаг. Эдгээр рентген туяа нь материал, биологийн бүтэц, элементүүдийн тархалт, химийн, соронзон болон электрон төлөв байдал, батерейгаас эхлээд түлшний форсунк хүртэлх бүх төрлийн техникийн хувьд чухал инженерийн системийг судлахад тохиромжтой бөгөөд эдгээр нь манай үндэсний эдийн засаг, технологи, бие махбодид чухал ач холбогдолтой юм. Эрүүл мэндийн үндэс. Жил бүр 5000 гаруй судлаач APS-ийг ашиглан бусад рентген туяаны судалгааны төвийн хэрэглэгчдээс илүү чухал нээлтүүдийг нарийвчлан тайлбарлаж, биологийн уургийн бүтцийг шийдсэн 2000 гаруй нийтлэл хэвлүүлдэг. APS-ийн эрдэмтэд, инженерүүд хурдасгуур болон гэрлийн эх үүсвэрийн гүйцэтгэлийг сайжруулах үндэс суурь болсон инновацийн технологийг хэрэгжүүлж байна. Үүнд судлаачдын үнэлдэг маш тод рентген туяа үүсгэдэг оролтын төхөөрөмжүүд, рентген туяаг хэдхэн нанометр хүртэл төвлөрүүлдэг линз, рентген туяа судалгаанд хамрагдаж буй дээжтэй хэрхэн харилцан үйлчлэхийг хамгийн их байлгах багаж хэрэгсэл, мөн APS-ийн нээлтүүдийг цуглуулах, удирдах зэрэг орно. Судалгаа нь асар их хэмжээний өгөгдлийн хэмжээг бий болгодог.
Энэхүү судалгаанд DE-AC02-06CH11357 дугаартай гэрээний дагуу АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Шинжлэх ухааны газрын Аргонн үндэсний лаборатори ажиллуулдаг АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Шинжлэх ухааны газрын хэрэглэгчийн төв болох Advanced Photon Source-ийн нөөцийг ашигласан.
Аргонн Үндэсний Лаборатори нь дотоодын шинжлэх ухаан, технологийн тулгамдсан асуудлуудыг шийдвэрлэхийг эрмэлздэг. АНУ-ын анхны үндэсний лаборатори болох Аргонн нь бараг бүх шинжлэх ухааны чиглэлээр суурь болон хэрэглээний судалгаа хийдэг. Аргонн судлаачид хэдэн зуун компани, их дээд сургууль, холбооны, муж улсын болон хотын агентлагуудын судлаачидтай нягт хамтран ажиллаж, тодорхой асуудлуудыг шийдвэрлэх, АНУ-ын шинжлэх ухааны манлайллыг урагшлуулах, улс орныг илүү сайн ирээдүйд бэлтгэхэд нь тусалдаг. Аргонн нь 60 гаруй орны ажилчдыг ажиллуулдаг бөгөөд АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Шинжлэх ухааны газрын UChicago Argonne, LLC компани ажиллуулдаг.
АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Шинжлэх ухааны алба нь физикийн шинжлэх ухааны үндсэн судалгааны үндэсний хамгийн том дэмжигч бөгөөд өнөөгийн хамгийн тулгамдсан асуудлуудын заримыг шийдвэрлэхийн төлөө ажилладаг. Дэлгэрэнгүй мэдээллийг https://energy.gov/science хаягаар орж үзнэ үү.