Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có lịch sử lâu dài về những khám phá tiên phong trong lĩnh vực pin lithium-ion. Nhiều kết quả trong số này dành cho cực âm của pin, được gọi là NMC, niken mangan và oxit coban. Một loại pin có cực âm này hiện cung cấp năng lượng cho Chevrolet Bolt.
Các nhà nghiên cứu của Argonne đã đạt được một bước đột phá khác ở cực âm NMC. Cấu trúc hạt cực âm nhỏ mới của nhóm có thể làm cho pin bền hơn và an toàn hơn, có thể hoạt động ở điện áp rất cao và cho phạm vi di chuyển dài hơn.
Khalil Amin, Thành viên danh dự của Argonne cho biết: “Bây giờ chúng tôi có hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chế tạo vật liệu cực âm không viền, áp suất cao”.
Trợ lý hóa học Guiliang Xu cho biết: “Các cực âm NMC hiện tại là trở ngại lớn cho công việc điện áp cao”. Với chu kỳ phóng điện, hiệu suất giảm nhanh do hình thành các vết nứt trong các hạt cực âm. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu pin đã tìm cách sửa chữa những vết nứt này.
Một phương pháp trước đây sử dụng các hạt hình cầu cực nhỏ được tạo thành từ nhiều hạt nhỏ hơn nhiều. Các hạt hình cầu lớn là đa tinh thể, với các miền tinh thể có hướng khác nhau. Kết quả là, chúng có cái mà các nhà khoa học gọi là ranh giới hạt giữa các hạt, có thể khiến pin bị nứt trong một chu kỳ. Để ngăn chặn điều này, Xu và các đồng nghiệp của Argonne trước đây đã phát triển một lớp phủ polymer bảo vệ xung quanh mỗi hạt. Lớp phủ này bao quanh các hạt hình cầu lớn và các hạt nhỏ hơn bên trong chúng.
Một cách khác để tránh loại nứt này là sử dụng các hạt đơn tinh thể. Kính hiển vi điện tử của các hạt này cho thấy chúng không có ranh giới.
Vấn đề đối với đội là các cực âm làm từ đa tinh thể được phủ và các tinh thể đơn lẻ vẫn bị nứt trong quá trình đạp xe. Do đó, họ đã tiến hành phân tích sâu rộng các vật liệu catốt này tại Nguồn Photon nâng cao (APS) và Trung tâm Vật liệu nano (CNM) tại Trung tâm Khoa học Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Các phân tích tia X khác nhau đã được thực hiện trên năm nhánh APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C và 34-ID-E). Hóa ra những gì các nhà khoa học nghĩ là một tinh thể đơn lẻ, như được thể hiện qua kính hiển vi điện tử và tia X, thực ra có một ranh giới bên trong. Kính hiển vi điện tử quét và truyền qua của CNM đã xác nhận kết luận này.
Nhà vật lý Wenjun Liu cho biết: “Khi chúng tôi nhìn vào hình thái bề mặt của những hạt này, chúng trông giống như những tinh thể đơn lẻ. 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,我们发边界隐藏在内部。” â€发现 边界 隐藏 在。”“Tuy nhiên, khi chúng tôi sử dụng một kỹ thuật gọi là kính hiển vi nhiễu xạ tia X synchrotron và các kỹ thuật khác tại APS, chúng tôi phát hiện ra rằng các ranh giới được ẩn giấu bên trong.”
Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp sản xuất các tinh thể đơn lẻ không có ranh giới. Thử nghiệm các tế bào nhỏ với cực âm đơn tinh thể này ở điện áp rất cao cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng tăng 25% trên một đơn vị thể tích mà hầu như không bị giảm hiệu suất trong 100 chu kỳ thử nghiệm. Ngược lại, cực âm NMC bao gồm các tinh thể đơn đa bề mặt hoặc đa tinh thể được phủ cho thấy công suất giảm từ 60% đến 88% trong cùng thời gian sử dụng.
Tính toán ở quy mô nguyên tử cho thấy cơ chế giảm điện dung catốt. Theo Maria Chang, nhà khoa học nano tại CNM, các ranh giới có nhiều khả năng bị mất các nguyên tử oxy khi sạc pin hơn các khu vực ở xa chúng hơn. Sự mất oxy này dẫn đến sự suy thoái của chu kỳ tế bào.
Chan cho biết: “Các tính toán của chúng tôi cho thấy ranh giới có thể dẫn đến việc oxy được giải phóng ở áp suất cao, từ đó có thể dẫn đến giảm hiệu suất”.
Việc loại bỏ ranh giới sẽ ngăn chặn sự phát triển của oxy, từ đó cải thiện độ an toàn và tính ổn định theo chu kỳ của cực âm. Các phép đo tiến hóa oxy bằng APS và nguồn sáng tiên tiến tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã xác nhận kết luận này.
Khalil Amin, thành viên danh dự của Argonne cho biết: “Bây giờ chúng tôi có những hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chế tạo vật liệu cực âm không có ranh giới và hoạt động ở áp suất cao”. 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。”“Các hướng dẫn nên áp dụng cho các vật liệu làm cực âm không phải NMC.”
Một bài báo về nghiên cứu này đã xuất hiện trên tạp chí Năng lượng tự nhiên. Ngoài Xu, Amin, Liu và Chang, các tác giả Argonne còn có Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Tôn Thành Quân, Đào Châu, Minh Đô, Tông Hải Thần. Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li và Zengqing Zhuo), Đại học Hạ Môn (Jing-Jing Fan, Ling Huang và Shi-Gang Sun) và Đại học Thanh Hoa (Dongsheng Ren, Xuning Feng và Mingao Ouyang).
Giới thiệu về Trung tâm Vật liệu nano Argonne Trung tâm Vật liệu nano, một trong năm trung tâm nghiên cứu công nghệ nano của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, là cơ quan sử dụng quốc gia hàng đầu về nghiên cứu quy mô nano liên ngành được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Cùng với nhau, NSRC tạo thành một bộ cơ sở bổ sung cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng tiên tiến để chế tạo, xử lý, mô tả đặc tính và mô hình hóa các vật liệu có kích thước nano và thể hiện khoản đầu tư cơ sở hạ tầng lớn nhất theo Sáng kiến ​​Công nghệ nano Quốc gia. NSRC được đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia và Los Alamos. Để biết thêm thông tin về NSRC DOE, hãy truy cập https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​tức là​s​-​at​-a​​Glance.
Nguồn Photon Tiên tiến (APS) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne là một trong những nguồn tia X hiệu quả nhất trên thế giới. APS cung cấp tia X cường độ cao cho cộng đồng nghiên cứu đa dạng về khoa học vật liệu, hóa học, vật lý chất ngưng tụ, khoa học đời sống và môi trường cũng như nghiên cứu ứng dụng. Những tia X này lý tưởng để nghiên cứu các vật liệu và cấu trúc sinh học, sự phân bố của các nguyên tố, trạng thái hóa học, từ trường và điện tử cũng như các loại hệ thống kỹ thuật quan trọng về mặt kỹ thuật, từ pin đến vòi phun nhiên liệu, rất quan trọng đối với nền kinh tế, công nghệ quốc gia của chúng ta. . và cơ thể Nền tảng của sức khỏe. Mỗi năm, hơn 5.000 nhà nghiên cứu sử dụng APS để xuất bản hơn 2.000 ấn phẩm nêu chi tiết những khám phá quan trọng và giải quyết các cấu trúc protein sinh học quan trọng hơn người dùng bất kỳ trung tâm nghiên cứu tia X nào khác. Các nhà khoa học và kỹ sư APS đang triển khai các công nghệ tiên tiến làm cơ sở để cải thiện hiệu suất của máy gia tốc và nguồn sáng. Điều này bao gồm các thiết bị đầu vào tạo ra tia X cực sáng được các nhà nghiên cứu đánh giá cao, thấu kính tập trung tia X xuống vài nanomet, các thiết bị tối đa hóa cách tia X tương tác với mẫu đang nghiên cứu cũng như thu thập và quản lý các khám phá APS Nghiên cứu tạo ra khối lượng dữ liệu khổng lồ.
Nghiên cứu này sử dụng các tài nguyên từ Nguồn Photon nâng cao, Trung tâm người dùng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne điều hành cho Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ theo số hợp đồng DE-AC02-06CH11357.
Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne nỗ lực giải quyết các vấn đề cấp bách của khoa học và công nghệ trong nước. Là phòng thí nghiệm quốc gia đầu tiên ở Hoa Kỳ, Argonne tiến hành nghiên cứu cơ bản và ứng dụng tiên tiến trong hầu hết mọi ngành khoa học. Các nhà nghiên cứu của Argonne hợp tác chặt chẽ với các nhà nghiên cứu từ hàng trăm công ty, trường đại học và các cơ quan liên bang, tiểu bang và thành phố để giúp họ giải quyết các vấn đề cụ thể, nâng cao vai trò lãnh đạo khoa học của Hoa Kỳ và chuẩn bị cho đất nước một tương lai tốt đẹp hơn. Argonne tuyển dụng nhân viên từ hơn 60 quốc gia và được điều hành bởi UChicago Argonne, LLC thuộc Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là cơ quan đề xuất lớn nhất quốc gia về nghiên cứu cơ bản về khoa học vật lý, nỗ lực giải quyết một số vấn đề cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập https://​energy​.gov/​science​ience.