Watafiti katika Maabara ya Kitaifa ya Argonne ya Idara ya Nishati ya Marekani (DOE) wana historia ndefu ya uvumbuzi waanzilishi katika uwanja wa betri za lithiamu-ion. Matokeo mengi haya ni ya kathodi ya betri, inayoitwa NMC, nikeli manganese na oksidi ya kobalti. Betri yenye kathodi hii sasa inaendesha Chevrolet Bolt.
Watafiti wa Argonne wamepata mafanikio mengine katika kathodi za NMC. Muundo mpya wa chembe ndogo za kathodi wa timu hiyo unaweza kuifanya betri iwe imara zaidi na salama zaidi, iweze kufanya kazi kwa volteji nyingi sana na kutoa masafa marefu ya usafiri.
"Sasa tuna mwongozo ambao watengenezaji wa betri wanaweza kutumia kutengeneza vifaa vya cathode vyenye shinikizo kubwa na visivyo na mpaka," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Kathodi za NMC zilizopo zinaleta kikwazo kikubwa kwa kazi ya volteji ya juu," alisema msaidizi wa kemia Guiliang Xu. Kwa mzunguko wa utoaji wa chaji, utendaji hupungua haraka kutokana na uundaji wa nyufa katika chembe za kathodi. Kwa miongo kadhaa, watafiti wa betri wamekuwa wakitafuta njia za kurekebisha nyufa hizi.
Mbinu moja hapo awali ilitumia chembe ndogo za duara zilizoundwa na chembe nyingi ndogo zaidi. Chembe kubwa za duara ni poliklisto, zenye maeneo ya fuwele yenye mwelekeo tofauti. Kwa hivyo, zina kile wanasayansi wanachokiita mipaka ya chembe kati ya chembe, ambacho kinaweza kusababisha betri kupasuka wakati wa mzunguko. Ili kuzuia hili, wenzake wa Xu na Argonne hapo awali walikuwa wameunda mipako ya polima ya kinga kuzunguka kila chembe. Mipako hii huzunguka chembe kubwa za duara na chembe ndogo ndani yake.
Njia nyingine ya kuepuka aina hii ya nyufa ni kutumia chembechembe za fuwele moja. Hadubini ya elektroni ya chembe hizi ilionyesha kuwa hazina mipaka.
Tatizo kwa timu hiyo lilikuwa kwamba kathodi zilizotengenezwa kwa poliklisti zilizopakwa rangi na fuwele moja bado zilipasuka wakati wa mzunguko. Kwa hivyo, walifanya uchambuzi wa kina wa nyenzo hizi za kathodi katika Chanzo cha Photon cha Juu (APS) na Kituo cha Nanomaterials (CNM) katika Kituo cha Sayansi cha Argonne cha Idara ya Nishati ya Marekani.
Uchambuzi mbalimbali wa eksirei ulifanywa kwenye mikono mitano ya APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C na 34-ID-E). Inageuka kuwa kile wanasayansi walichokidhania kuwa fuwele moja, kama inavyoonyeshwa na hadubini ya elektroni na X-ray, kwa kweli kilikuwa na mpaka ndani. Kuchanganua na kusambaza hadubini ya elektroni ya CNMs kulithibitisha hitimisho hili.
"Tulipoangalia mofolojia ya uso wa chembe hizi, zilionekana kama fuwele moja," alisema mwanafizikia Wenjun Liu. â�<“但是，当我們在APS 使用一种称為同步加速器X射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我們发现边界隐藏在内部。” â� <“但是 , 当 在 使用 使用 种 称為 同步 加速器 x 射线 显微镜的 技术 和 其他 藶后 ，在.""Hata hivyo, tulipotumia mbinu inayoitwa synchrotron X-ray diffraction hadubini na mbinu zingine katika APS, tuligundua kuwa mipaka ilikuwa imefichwa ndani."
Muhimu zaidi, timu imeunda mbinu ya kutengeneza fuwele moja bila mipaka. Kujaribu seli ndogo kwa kutumia kathodi hii ya fuwele moja kwa volteji kubwa sana kulionyesha ongezeko la 25% la hifadhi ya nishati kwa kila ujazo wa kitengo bila hasara yoyote katika utendaji zaidi ya mizunguko 100 ya majaribio. Kwa upande mwingine, kathodi za NMC zilizoundwa na fuwele moja zenye kiolesura cha aina nyingi au poliklisti zilizofunikwa zilionyesha kushuka kwa uwezo wa 60% hadi 88% katika kipindi hicho hicho cha maisha.
Mahesabu ya vipimo vya atomiki yanaonyesha utaratibu wa kupunguza uwezo wa kathodi. Kulingana na Maria Chang, mwanasayansi wa nano katika CNM, mipaka ina uwezekano mkubwa wa kupoteza atomi za oksijeni wakati betri inachajiwa kuliko maeneo yaliyo mbali nayo. Kupotea huku kwa oksijeni husababisha uharibifu wa mzunguko wa seli.
"Mahesabu yetu yanaonyesha jinsi mpaka unavyoweza kusababisha oksijeni kutolewa kwa shinikizo kubwa, jambo ambalo linaweza kusababisha utendaji mdogo," Chan alisema.
Kuondoa mpaka huzuia mageuko ya oksijeni, na hivyo kuboresha usalama na uthabiti wa mzunguko wa kathodi. Vipimo vya mageuko ya oksijeni kwa kutumia APS na chanzo cha mwanga cha hali ya juu katika Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Berkeley ya Idara ya Nishati ya Marekani vinathibitisha hitimisho hili.
"Sasa tuna miongozo ambayo watengenezaji wa betri wanaweza kutumia kutengeneza vifaa vya cathode ambavyo havina mipaka na hufanya kazi kwa shinikizo kubwa," alisema Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus. 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。”"Miongozo inapaswa kutumika kwa vifaa vya kathodi isipokuwa NMC."
Nakala kuhusu utafiti huu ilionekana kwenye jarida la Nature Energy. Mbali na Xu, Amin, Liu na Chang, waandishi wa Argonne ni Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu , Junjing Deng, Inhui Hwang, M Taong Zho, Chengjun, M Tangjun na Sun. Wanasayansi kutoka Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, na Zengqing Zhuo), Chuo Kikuu cha Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang na Shi-Gang Sun) na Chuo Kikuu cha Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng na Mingao Ouyang).
Kuhusu Kituo cha Argonne cha Nanomaterials Kituo cha Nanomaterials, mojawapo ya vituo vitano vya utafiti wa nanoteknolojia ya Idara ya Nishati ya Marekani, ni taasisi kuu ya kitaifa ya watumiaji wa utafiti wa nanoscale unaofadhiliwa na Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani. Kwa pamoja, NSRC huunda seti ya vifaa vya ziada vinavyowapa watafiti uwezo wa kisasa wa kutengeneza, kusindika, kuainisha, na kutengeneza mifano ya vifaa vya nanoscale na kuwakilisha uwekezaji mkubwa zaidi wa miundombinu chini ya Mpango wa Kitaifa wa Nanoteknolojia. NSRC iko katika Maabara ya Kitaifa ya Idara ya Nishati ya Marekani huko Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, na Los Alamos. Kwa maelezo zaidi kuhusu NSRC DOE, tembelea https://science​.osti​.gov/​Us​er​-Fa​ci​ilit​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-Fa​ci​i​l​it​ie​ie​s​-at​-a​Glance.
Chanzo cha Photon cha Idara ya Nishati ya Marekani (APS) katika Maabara ya Kitaifa ya Argonne ni mojawapo ya vyanzo vya X-ray vyenye tija zaidi duniani. APS hutoa miale ya X yenye nguvu nyingi kwa jumuiya mbalimbali ya utafiti katika sayansi ya vifaa, kemia, fizikia ya vitu vilivyofupishwa, sayansi ya maisha na mazingira, na utafiti uliotumika. Miale hii ya X ni bora kwa ajili ya kusoma vifaa na miundo ya kibiolojia, usambazaji wa elementi, hali za kemikali, sumaku na kielektroniki, na mifumo muhimu ya uhandisi ya kila aina, kuanzia betri hadi nozzles za kuingiza mafuta, ambazo ni muhimu kwa uchumi wetu wa taifa, teknolojia na msingi wa afya. Kila mwaka, zaidi ya watafiti 5,000 hutumia APS kuchapisha zaidi ya machapisho 2,000 yanayoelezea uvumbuzi muhimu na kutatua miundo muhimu zaidi ya protini za kibiolojia kuliko watumiaji wa kituo kingine chochote cha utafiti wa X-ray. Wanasayansi na wahandisi wa APS wanatekeleza teknolojia bunifu ambazo ni msingi wa kuboresha utendaji wa viongeza kasi na vyanzo vya mwanga. Hii inajumuisha vifaa vya kuingiza data vinavyotoa miale ya X angavu sana inayothaminiwa na watafiti, lenzi zinazolenga miale ya X hadi nanomita chache, vifaa vinavyoongeza jinsi miale ya X inavyoingiliana na sampuli inayosomwa, na ukusanyaji na usimamizi wa uvumbuzi wa APS. Utafiti hutoa ujazo mkubwa wa data.
Utafiti huu ulitumia rasilimali kutoka Advanced Photon Source, Kituo cha Watumiaji cha Idara ya Nishati ya Marekani, Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati inayoendeshwa na Maabara ya Kitaifa ya Argonne kwa Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani chini ya mkataba nambari DE-AC02-06CH11357.
Maabara ya Kitaifa ya Argonne inajitahidi kutatua matatizo makubwa ya sayansi na teknolojia ya ndani. Kama maabara ya kwanza ya kitaifa nchini Marekani, Argonne hufanya utafiti wa msingi na unaotumika kwa kasi katika karibu kila taaluma ya kisayansi. Watafiti wa Argonne hufanya kazi kwa karibu na watafiti kutoka mamia ya makampuni, vyuo vikuu, na mashirika ya shirikisho, jimbo, na manispaa ili kuwasaidia kutatua matatizo maalum, kuendeleza uongozi wa kisayansi wa Marekani, na kuandaa taifa kwa mustakabali bora. Argonne inaajiri wafanyakazi kutoka zaidi ya nchi 60 na inaendeshwa na UChicago Argonne, LLC wa Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani.
Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani ndiyo mtetezi mkubwa zaidi wa utafiti wa msingi katika sayansi ya fizikia nchini, ikifanya kazi kushughulikia baadhi ya masuala muhimu zaidi ya wakati wetu. Kwa maelezo zaidi, tembelea https://​energy​.gov/​science​ience.