Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có bề dày lịch sử với những khám phá tiên phong trong lĩnh vực pin lithium-ion. Nhiều kết quả trong số này liên quan đến cực âm của pin, được gọi là NMC, niken mangan và oxit coban. Một loại pin với 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 catốt NMC. Cấu trúc hạt catốt siêu nhỏ mới của nhóm có thể giúp pin bền hơn và an toàn hơn, có khả năng hoạt động ở điện áp rất cao và cung cấp phạm vi di chuyển xa hơn.
“Chúng tôi hiện có hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để tạo ra vật liệu catốt không viền, chịu áp suất cao”, Khalil Amin, Nghiên cứu viên danh dự của Argonne.
"Các cực âm NMC hiện tại là một rào cản lớn đối với công việc điện áp cao", trợ lý hóa học Guiliang Xu cho biết. Với chu kỳ sạc-xả, hiệu suất giảm nhanh chóng do sự hình thành các vết nứt trên các hạt cực âm. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu pin đã tìm kiếm cách khắc phục những vết nứt này.
Một phương pháp trước đây sử dụng các hạt hình cầu 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 nhiều 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 hiện tượng nứt này là sử dụng các hạt tinh thể đơn. Kính hiển vi điện tử của các hạt này cho thấy chúng không có ranh giới.
Vấn đề đối với nhóm nghiên cứu là các catốt được chế tạo từ các tinh thể đa lớp phủ và tinh thể đơn vẫn bị nứt trong quá trình vận hành. Do đó, họ đã tiến hành phân tích chuyên sâu các vật liệu catốt này tại Trung tâm Nguồn Photon Tiên tiến (APS) và Trung tâm Vật liệu Nano (CNM) thuộc Trung tâm Khoa học Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Nhiều phân tích tia X đã được thực hiện trên năm nhánh APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C và 34-ID-E). Hóa ra, thứ mà các nhà khoa học nghĩ là một tinh thể đơn lẻ, như được hiển thị bằng kính hiển vi điện tử và tia X, thực sự 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 quan sát hình thái bề mặt của các hạt này, chúng trông giống như các tinh thể đơn lẻ". 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 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 bị ẩn bên trong.”
Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp sản xuất tinh thể đơn không biên giới. Việc thử nghiệm các cell pin nhỏ với catốt tinh thể đơn này ở điện áp rất cao cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị thể tích tăng 25% mà hiệu suất hầu như không bị giảm sau 100 chu kỳ thử nghiệm. Ngược lại, catốt NMC được cấu tạo từ các tinh thể đơn đa giao diện hoặc đa tinh thể phủ lớp phủ cho thấy dung lượng giảm từ 60% đến 88% trong cùng thời gian sử dụng.
Các phép tính ở quy mô nguyên tử cho thấy cơ chế giảm điện dung catốt. Theo Maria Chang, một nhà khoa học nano tại CNM, ranh giới dễ bị mất nguyên tử oxy hơn khi pin được sạc so với các khu vực 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 này có thể dẫn đến việc giải phóng oxy ở áp suất cao, điều này có thể làm giảm hiệu suất".
Việc loại bỏ ranh giới ngăn chặn sự thoát oxy, do đó cải thiện độ an toàn và độ ổn định tuần hoàn của catốt. Các phép đo sự thoát 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.
Khalil Amin, thành viên danh dự của Argonne, cho biết: "Hiện nay chúng tôi có những hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chế tạo vật liệu catốt 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 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 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, là tổ chức người dùng quốc gia hàng đầu về nghiên cứu liên ngành ở quy mô nano được Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ. Cùng nhau, các NSRC tạo thành một bộ cơ sở bổ sung, cung cấp cho các nhà nghiên cứu những năng lực tiên tiến nhất để chế tạo, xử lý, mô tả đặc tính và mô hình hóa vật liệu ở quy mô nano, đồng thời 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 tại 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​ie​ie​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 trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học, vật lý vật chất ngưng tụ, khoa học sự sống và môi trường, và nghiên cứu ứng dụng. Các tia X này lý tưởng để nghiên cứu vật liệu và cấu trúc sinh học, sự phân bố của các nguyên tố, trạng thái hóa học, từ tính và điện tử, và các hệ thống kỹ thuật quan trọng về mặt kỹ thuật thuộc mọi loại, từ pin đến vòi phun nhiên liệu, vốn rất quan trọng đối với nền kinh tế, công nghệ quốc gia của chúng ta. và cơ thể Cơ sở của sức khỏe. Mỗi năm, hơn 5.000 nhà nghiên cứu sử dụng APS để xuất bản hơn 2.000 ấn phẩm trình bày chi tiết những khám phá quan trọng và giải quyết các cấu trúc protein sinh học quan trọng hơn bất kỳ người dùng nào khác của trung tâm nghiên cứu tia X. Các nhà khoa học và kỹ sư của 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 hội tụ tia X xuống đến vài nanomet, các thiết bị tối đa hóa cách tia X tương tác với mẫu đang nghiên cứu và việc thu thập và quản lý các khám phá của APS. Nghiên cứu tạo ra khối lượng dữ liệu khổng lồ.
Nghiên cứu này sử dụng các nguồn từ Advanced Photon Source, một Trung tâm người dùng thuộc Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ do Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne điều hành cho Văn phòng Khoa học của 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 tại 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 vị thế dẫn đầu khoa học của Hoa Kỳ và chuẩn bị cho một tương lai tốt đẹp hơn cho đất nước. 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 thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là đơn vị tiên phong lớn nhất của quốc gia về nghiên cứu cơ bản trong 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, vui lòng truy cập https://​energy​.gov/​science​ience.