Watafiti katika Maabara ya Kitaifa ya Idara ya Nishati ya Marekani (DOE) ya Argonne wana historia ndefu ya uvumbuzi wa upainia katika nyanja ya betri za lithiamu-ioni. Mengi ya matokeo haya ni ya cathode ya betri, iitwayo NMC, manganese ya nikeli na oksidi ya kobalti. Betri iliyo na kathodi hii sasa inawasha Chevrolet Bolt.
Watafiti wa Argonne wamepata mafanikio mengine katika cathodes za NMC. Muundo mpya wa chembe ndogo za kathodi za timu unaweza kufanya betri kudumu na salama zaidi, iweze kufanya kazi kwa viwango vya juu sana na kutoa masafa marefu ya usafiri.
"Sasa tuna mwongozo ambao watengenezaji betri wanaweza kutumia kutengeneza vifaa vya cathode vya shinikizo la juu, visivyo na mpaka," Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
"Kathodi zilizopo za NMC zinaleta kikwazo kikubwa kwa kazi ya umeme wa juu," alisema mwanakemia msaidizi Guiliang Xu. Kwa baiskeli ya kutokwa kwa malipo, utendaji hupungua kwa kasi kutokana na kuundwa kwa nyufa katika chembe za cathode. Kwa miongo kadhaa, watafiti wa betri wamekuwa wakitafuta njia za kurekebisha nyufa hizi.
Njia moja hapo awali ilitumia chembe ndogo za duara zinazojumuisha chembe nyingi ndogo zaidi. Chembe kubwa za spherical ni polycrystalline, na nyanja za fuwele za mwelekeo mbalimbali. Matokeo yake, wana kile wanasayansi wanachokiita mipaka ya nafaka kati ya chembe, ambayo inaweza kusababisha betri kupasuka wakati wa mzunguko. Ili kuzuia hili, Xu na wenzake wa Argonne hapo awali walikuwa wameunda mipako ya kinga ya polima karibu na kila chembe. Mipako hii huzunguka chembe kubwa za spherical na chembe ndogo ndani yao.
Njia nyingine ya kuzuia aina hii ya ngozi ni kutumia chembe za fuwele moja. Microscopy ya elektroni ya chembe hizi ilionyesha kuwa hawana mipaka.
Shida ya timu ilikuwa kwamba cathodes zilizotengenezwa kutoka kwa polycrystals zilizofunikwa na fuwele moja bado zilipasuka wakati wa baiskeli. Kwa hiyo, walifanya uchambuzi wa kina wa nyenzo hizi za cathode katika Chanzo cha Juu cha Photon (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). Inabadilika kuwa kile wanasayansi walidhani ni fuwele moja, kama inavyoonyeshwa na hadubini ya elektroni na X-ray, kwa kweli ilikuwa na mpaka ndani. Kuchanganua na kusambaza hadubini ya elektroni ya CNM ilithibitisha hitimisho hili.
"Tulipoangalia muundo wa uso wa chembe hizi, zilionekana kama fuwele moja," mwanafizikia Wenjun Liu alisema. 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时。 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 时 。"Walakini, tulipotumia mbinu inayoitwa synchrotron X-ray diffraction microscopy na mbinu zingine kwenye APS, tuligundua kuwa mipaka ilikuwa imefichwa ndani."
Muhimu zaidi, timu imeunda njia ya kutengeneza fuwele moja bila mipaka. Kujaribu seli ndogo kwa kutumia kathodi hii ya fuwele moja kwa viwango vya juu sana kulionyesha ongezeko la 25% la uhifadhi wa nishati kwa kila ujazo wa kitengo bila hasara yoyote katika utendakazi zaidi ya mizunguko 100 ya majaribio. Kinyume chake, kathodi za NMC zinazojumuisha fuwele zenye nyuso nyingi au polycrystals zilizofunikwa zilionyesha kushuka kwa uwezo wa 60% hadi 88% katika muda wa maisha sawa.
Mahesabu ya kiwango cha atomiki yanaonyesha utaratibu wa kupunguza uwezo wa cathode. 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 zaidi nayo. Upotezaji huu wa oksijeni husababisha uharibifu wa mzunguko wa seli.
"Mahesabu yetu yanaonyesha jinsi mpaka unavyoweza kusababisha oksijeni kutolewa kwa shinikizo la juu, ambayo inaweza kusababisha kupungua kwa utendaji," Chan alisema.
Kuondoa mpaka huzuia mageuzi ya oksijeni, na hivyo kuboresha usalama na utulivu wa mzunguko wa cathode. Vipimo vya mabadiliko ya oksijeni kwa kutumia APS na chanzo cha hali ya juu cha mwanga katika Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Berkeley ya Idara ya Nishati ya Marekani inathibitisha hitimisho hili.
"Sasa tuna miongozo ambayo watengenezaji wa betri wanaweza kutumia kutengeneza vifaa vya cathode ambavyo havina mipaka na kufanya kazi kwa shinikizo la juu," 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 cathode 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, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du, na Zonghai Chen. 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 vya Idara ya Nishati ya Nanoteknolojia ya Marekani, ni taasisi kuu ya kitaifa ya watumiaji kwa ajili ya utafiti wa taaluma mbalimbali unaoungwa mkono na Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani. Kwa pamoja, NSRCs huunda kundi la vifaa vya ziada ambavyo vinawapa watafiti uwezo wa hali ya juu wa kuunda, kuchakata, kubainisha sifa, na kuiga nyenzo za nanoscale na kuwakilisha uwekezaji mkubwa zaidi wa miundombinu chini ya Mpango wa Kitaifa wa Nanoteknolojia. NSRC iko katika Idara ya Maabara ya Kitaifa ya Nishati ya Amerika huko Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, na Los Alamos. Kwa habari zaidi kuhusu NSRC DOE, tembelea https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-FA​c’it​ yaani/Us er-Fac ie s-at-a-Aglance.
Chanzo cha Picha cha Juu cha Idara ya Nishati ya Marekani (APS) katika Maabara ya Kitaifa ya Argonne ni mojawapo ya vyanzo vya X-ray vinavyozalisha zaidi duniani. APS hutoa mionzi ya eksirei ya kiwango cha juu kwa jumuiya ya watafiti mbalimbali katika sayansi ya nyenzo, kemia, fizikia ya vitu vilivyofupishwa, sayansi ya maisha na mazingira, na utafiti unaotumika. X-rays hizi ni bora kwa vifaa vya kusomea na miundo ya kibaolojia, usambazaji wa vitu, kemikali, hali ya sumaku na elektroniki, na mifumo muhimu ya kiufundi ya kila aina, kutoka kwa betri hadi pua za sindano za mafuta, ambazo ni muhimu kwa uchumi wa taifa letu, teknolojia. . na mwili 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 ya kibaolojia kuliko watumiaji wa kituo kingine chochote cha utafiti wa X-ray. Wanasayansi na wahandisi wa APS wanatekeleza teknolojia za kibunifu ambazo ni msingi wa kuboresha utendaji wa vichapuzi na vyanzo vya mwanga. Hii ni pamoja na vifaa vya kuingiza sauti vinavyotoa mionzi ya eksirei inayong'aa sana inayothaminiwa na watafiti, lenzi zinazolenga eksirei hadi nanomita chache, vifaa vinavyoboresha jinsi mionzi ya X huingiliana na sampuli inayochunguzwa, na ukusanyaji na usimamizi wa uvumbuzi wa APS. Utafiti hutoa kiasi kikubwa cha data.
Utafiti huu ulitumia rasilimali kutoka kwa Advanced Photon Source, Idara ya Nishati ya Ofisi ya Sayansi ya Kituo cha Watumiaji kinachoendeshwa na Maabara ya Kitaifa ya Argonne kwa Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani chini ya nambari ya mkataba DE-AC02-06CH11357.
Maabara ya Kitaifa ya Argonne inajitahidi kutatua shida kubwa za sayansi na teknolojia ya ndani. Kama maabara ya kwanza ya kitaifa nchini Marekani, Argonne hufanya utafiti wa kisasa na unaotumika katika karibu kila taaluma ya kisayansi. Watafiti wa Argonne wanafanya kazi kwa karibu na watafiti kutoka kwa mamia ya makampuni, vyuo vikuu, na mashirika ya serikali, jimbo na manispaa ili kuwasaidia kutatua matatizo mahususi, kuendeleza uongozi wa kisayansi wa Marekani, na kuandaa taifa kwa maisha bora ya baadaye. Argonne inaajiri wafanyakazi kutoka zaidi ya nchi 60 na inaendeshwa na UChicago Argonne, LLC ya Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani.
Ofisi ya Sayansi ya Idara ya Nishati ya Marekani ndiye mtetezi mkuu zaidi wa taifa wa utafiti wa kimsingi katika sayansi ya kimwili, inayofanya kazi kushughulikia baadhi ya masuala muhimu zaidi ya wakati wetu. Kwa maelezo zaidi, tembelea https://​energy​.gov/​science​ience.