Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có bề dày thành tích tiên phong trong lĩnh vực pin lithium-ion. Nhiều kết quả nghiên cứu tập trung vào cực âm của pin, được gọi là NMC, oxit niken mangan và coban. Pin sử dụng cực âm này hiện đang cung cấp năng lượng cho xe Chevrolet Bolt.
Các nhà nghiên cứu tại Argonne đã đạt được một bước đột phá khác trong lĩnh vực cực âm NMC. Cấu trúc hạt cực âm siêu nhỏ mới của nhóm nghiên cứu có thể giúp pin bền hơn và an toàn hơn, hoạt động được ở điện áp rất cao và cung cấp phạm vi di chuyển xa hơn.
“Hiện nay chúng ta đã có hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chế tạo vật liệu catốt không biên giới, chịu áp suất cao,” Khalil Amin, Nghiên cứu viên danh dự của Argonne cho biết.
“Các cực âm NMC hiện có đặt ra một trở ngại lớn cho công việc ở điện áp cao,” nhà hóa học trợ lý Guiliang Xu cho biết. Với chu kỳ sạc-xả, hiệu suất giảm nhanh chóng do sự hình thành các vết nứt trong các hạt cực âm. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu về pin đã tìm kiếm các phương pháp để sửa chữa những vết nứt này.
Một phương pháp trước đây sử dụng các hạt hình cầu nhỏ li ti được cấu tạo từ nhiều hạt nhỏ hơn nhiều. Các hạt hình cầu lớn là đa tinh thể, với các miền tinh thể có nhiều hướng khác nhau. Do đó, chúng có cái mà các nhà khoa học gọi là ranh giới hạt giữa các hạt, điều này có thể khiến pin bị nứt trong một chu kỳ hoạt động. Để ngăn chặn điều này, các đồng nghiệp của Xu và 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 hiện tượng nứt vỡ này là sử dụng các hạt tinh thể đơn. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử cho thấy các hạt này không có ranh giới.
Vấn đề đối với nhóm nghiên cứu là các cực âm được làm từ các tinh thể đa tinh thể và tinh thể đơn được phủ vẫn bị nứt trong quá trình chu kỳ sạc/xả. Do đó, họ đã tiến hành phân tích chuyên sâu các vật liệu cực âm này tại Trung tâm Nguồn Photon Tiên tiến (APS) và Trung tâm Vật liệu Nano (CNM) thuộc Trung tâm Khoa học Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Nhiều 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). Kết quả cho thấy những gì các nhà khoa học cho là một tinh thể đơn, như được thể hiện bằng kính hiển vi điện tử và tia X, thực chất lại có một ranh giới bên trong. Kính hiển vi điện tử quét và truyền qua của CNM đã xác nhận kết luận này.
“Khi chúng tôi quan sát hình thái bề mặt của các hạt này, chúng trông giống như các tinh thể đơn,” nhà vật lý Wenjun Liu cho biết. â�<“但是,当我们在APS 使用一种称为同步加速器X “ 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 技术 和 其他 时 ，我们 发现 边界 隐藏 在。”“Tuy nhiên, khi chúng tôi sử dụng 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 bị ẩn bên trong.”
Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để sản xuất các tinh thể đơn không có ranh giới. Thử nghiệm các tế bào nhỏ với cực âm tinh thể đơn này ở điện áp rất cao cho thấy sự gia tăng 25% về khả năng lưu trữ năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích mà hầu như không làm giảm hiệu suất trong hơn 100 chu kỳ thử nghiệm. Ngược lại, các cực âm NMC được cấu tạo từ các tinh thể đơn đa giao diện hoặc các tinh thể đa lớp phủ cho thấy sự sụt giảm dung lượng từ 60% đến 88% trong cùng thời gian sử dụng.
Các phép tính ở cấp độ nguyên tử hé lộ cơ chế giảm điện dung cực âm. Theo Maria Chang, một nhà khoa học nano tại CNM, các vùng biên dễ bị mất nguyên tử oxy hơn khi pin được sạc so với các vùng ở xa chúng. Sự mất oxy này dẫn đến sự suy giảm chu kỳ hoạt động của pin.
“Các tính toán của chúng tôi cho thấy ranh giới này có thể dẫn đến việc giải phóng oxy ở áp suất cao, điều này có thể làm giảm hiệu suất,” Chan nói.
Việc loại bỏ ranh giới ngăn chặn sự giải phóng oxy, nhờ đó cải thiện độ an toàn và tính ổn định chu kỳ của cực âm. Các phép đo giải phóng oxy bằng APS và nguồn sáng tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã xác nhận kết luận này.
“Giờ đây chúng ta đã có những hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chế tạo vật liệu catốt không có giới hạn và hoạt động ở áp suất cao,” Khalil Amin, Nghiên cứu viên danh dự của Argonne cho biết. 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 này nên áp dụng cho các vật liệu catốt khác ngoài 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, Chengjun Sun, Tao Chu, Ming Du và Zonghai Chen. 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 thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, là tổ chức quốc gia hàng đầu về nghiên cứu liên ngành ở cấp độ nano được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Cùng nhau, các Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Nano Quốc gia (NSRC) tạo thành một chuỗi các cơ sở bổ sung cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng hiện đại nhất để chế tạo, xử lý, đặc trưng hóa và mô hình hóa vật liệu nano và đại diện cho khoản đầu tư cơ sở hạ tầng lớn nhất theo Sáng kiến ​​Công nghệ Nano Quốc gia. NSRC đặt tại các Phòng thí nghiệm Quốc gia thuộc 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/User-Facilités/User-Facilités-at-aGlance.
Trung tâm Nguồn Photon Tiên tiến (APS) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne là một trong những nguồn tia X hiệu quả nhất thế giới. APS cung cấp tia X cường độ cao cho cộng đồng nghiên cứu đa dạng trong các lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học, vật lý chất rắn, khoa học sự sống và môi trường, và nghiên cứu ứng dụng. Tia X này lý tưởng cho việc nghiên cứu vật liệu và cấu trúc sinh học, sự phân bố các nguyên tố, trạng thái hóa học, từ tính và điện tử, và các hệ thống kỹ thuật quan trọng thuộc mọi loại, từ pin đến vòi phun nhiên liệu, vốn rất quan trọng đối với nền kinh tế quốc gia, công nghệ và sức khỏe con người. Mỗi năm, hơn 5.000 nhà nghiên cứu sử dụng APS để công bố hơn 2.000 ấn phẩm mô tả chi tiết những khám phá quan trọng và giải mã cấu trúc protein sinh học quan trọng hơn bất kỳ trung tâm nghiên cứu tia X nào khác. Các nhà khoa học và kỹ sư của APS đang triển khai các công nghệ tiên tiến làm nền tảng cho việc 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, các thấu kính hội tụ tia X xuống còn vài nanomet, các dụng cụ tối ưu hóa cách tia X tương tác với mẫu nghiên cứu, cũng như việc thu thập và quản lý các phát hiện của APS. Nghiên cứu tạo ra khối lượng dữ liệu khổng lồ.
Nghiên cứu này đã sử dụng các nguồn lực từ Advanced Photon Source, một Trung tâm Người dùng thuộc Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne vận hành cho Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ theo hợp đồng số DE-AC02-06CH11357.
Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne nỗ lực giải quyết những vấn đề cấp bách của khoa học và công nghệ trong nước. Là phòng thí nghiệm quốc gia đầu tiên tại Hoa Kỳ, Argonne tiến hành nghiên cứu cơ bản và ứng dụng tiên tiến trong hầu hết mọi lĩnh vực 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, thúc đẩy vị thế dẫn đầu khoa học của Hoa Kỳ và chuẩn bị cho quốc gia một tương lai tốt đẹp hơn. Argonne có nhân viên đến 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 thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là đơn vị ủng hộ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực 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/scienceience.