ԱՄՆ Էներգետիկայի նախարարության (DOE) Արգոնի ազգային լաբորատորիայի հետազոտողները լիթիում-իոնային մարտկոցների ոլորտում առաջատար հայտնագործությունների երկար պատմություն ունեն: Այս արդյունքների մեծ մասը վերաբերում է մարտկոցի կաթոդին, որը կոչվում է NMC, նիկել-մանգան և կոբալտի օքսիդ: Այս կաթոդով մարտկոցն այժմ սնուցում է Chevrolet Bolt-ը:
Արգոնի հետազոտողները նոր առաջընթաց են գրանցել NMC կաթոդների ոլորտում: Թիմի նոր փոքրիկ կաթոդային մասնիկների կառուցվածքը կարող է մարտկոցը դարձնել ավելի դիմացկուն և անվտանգ, ունակ աշխատել շատ բարձր լարումների տակ և ապահովել ավելի երկար շարժման հեռավորություն:
«Մենք այժմ ունենք ուղեցույց, որը մարտկոցների արտադրողները կարող են օգտագործել բարձր ճնշման, եզրեր չունեցող կաթոդային նյութեր պատրաստելու համար», - Խալիլ Ամին, Արգոնի համալսարանի վաստակավոր անդամ։
«Գոյություն ունեցող NMC կաթոդները մեծ խոչընդոտ են ներկայացնում բարձր լարման աշխատանքի համար», - ասաց քիմիկոսի օգնական Գիլյանգ Շյուն: Լիցքավորման-պարպման ցիկլի ժամանակ արտադրողականությունը արագորեն նվազում է կաթոդի մասնիկներում ճաքերի առաջացման պատճառով: Տասնամյակներ շարունակ մարտկոցների հետազոտողները փնտրում էին այդ ճաքերը վերականգնելու եղանակներ:
Անցյալում մի մեթոդ օգտագործում էր փոքրիկ գնդաձև մասնիկներ, որոնք կազմված էին շատ ավելի փոքր մասնիկներից: Մեծ գնդաձև մասնիկները պոլիկրիստալային են՝ տարբեր ուղղվածության բյուրեղային տիրույթներով: Արդյունքում, դրանք ունեն այն, ինչ գիտնականները անվանում են հատիկավոր սահմաններ մասնիկների միջև, ինչը կարող է հանգեցնել մարտկոցի ճաքերի ցիկլի ընթացքում: Սա կանխելու համար Շյուի և Արգոնի գործընկերները նախկինում մշակել էին պաշտպանիչ պոլիմերային ծածկույթ յուրաքանչյուր մասնիկի շուրջ: Այս ծածկույթը շրջապատում է մեծ գնդաձև մասնիկները և դրանց ներսում գտնվող փոքր մասնիկները:
Այս տեսակի ճաքերից խուսափելու մեկ այլ միջոց է միաբյուրեղային մասնիկների օգտագործումը: Այս մասնիկների էլեկտրոնային մանրադիտակը ցույց տվեց, որ դրանք սահմաններ չունեն:
Թիմի համար խնդիրն այն էր, որ պատված պոլիբյուրեղներից և միաբյուրեղներից պատրաստված կաթոդները դեռևս ճաքեր էին առաջացնում ցիկլի ընթացքում: Հետևաբար, նրանք այս կաթոդային նյութերի լայնածավալ վերլուծություն են անցկացրել ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի Արգոնի գիտական ​​կենտրոնի «Առաջադեմ ֆոտոնային աղբյուր» (APS) և «Նանոնյութերի կենտրոնում» (CNM):
Հինգ APS թևերի վրա (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C և 34-ID-E) կատարվել են տարբեր ռենտգենյան վերլուծություններ: Պարզվել է, որ այն, ինչը գիտնականները համարում էին միաբյուրեղ, ինչպես ցույց է տրվել էլեկտրոնային և ռենտգենյան մանրադիտակներով, իրականում ունեցել է ներքին սահման: CNM-ների սկանավորող և թափանցող էլեկտրոնային մանրադիտակը հաստատել է այս եզրակացությունը:
«Երբ մենք նայեցինք այս մասնիկների մակերևույթի ձևաբանությանը, դրանք նման էին միաբյուրեղների», - ասաց ֆիզիկոս Վենջուն Լյուն։ 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，我们发现边界隐藏在内部。»: 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 技技我们 发现 边界 隐藏 在。»:«Այնուամենայնիվ, երբ մենք օգտագործեցինք սինխրոտրոնային ռենտգենյան դիֆրակցիոն մանրադիտակ կոչվող տեխնիկան և APS-ում այլ տեխնիկաներ, մենք պարզեցինք, որ սահմանները թաքնված էին ներսում»։
Կարևոր է նշել, որ թիմը մշակել է մի մեթոդ՝ սահմաններից զերծ միաբյուրեղներ արտադրելու համար: Այս միաբյուրեղային կաթոդով փոքր բջիջների շատ բարձր լարումների դեպքում փորձարկումը ցույց է տվել էներգիայի կուտակման 25% աճ մեկ միավոր ծավալի համար՝ գործնականում առանց արտադրողականության կորստի 100 փորձարկման ցիկլի ընթացքում: Ի տարբերություն դրա, բազմամիջերեսային միաբյուրեղներից կամ պատված պոլիբյուրեղներից կազմված NMC կաթոդները նույն կյանքի ընթացքում ցույց են տվել հզորության 60%-ից մինչև 88% անկում:
Ատոմային մասշտաբի հաշվարկները բացահայտում են կաթոդային տարողության նվազման մեխանիզմը: CNM-ի նանոգիտնական Մարիա Չանգի խոսքով՝ մարտկոցը լիցքավորելիս սահմանները ավելի հավանական է, որ կորցնեն թթվածնի ատոմներ, քան դրանցից ավելի հեռու գտնվող տարածքները: Թթվածնի այս կորուստը հանգեցնում է բջջային ցիկլի քայքայման:
«Մեր հաշվարկները ցույց են տալիս, թե ինչպես սահմանը կարող է հանգեցնել թթվածնի արտանետմանը բարձր ճնշման տակ, ինչը կարող է հանգեցնել արդյունավետության նվազմանը», - ասաց Չանը։
Սահմանի վերացումը կանխում է թթվածնի արտազատումը, դրանով իսկ բարելավելով կաթոդի անվտանգությունը և ցիկլիկ կայունությունը: ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի Լոուրենս Բերկլիի ազգային լաբորատորիայում APS-ի և առաջադեմ լույսի աղբյուրի միջոցով թթվածնի արտազատման չափումները հաստատում են այս եզրակացությունը:
«Այժմ մենք ունենք ուղեցույցներ, որոնք մարտկոցների արտադրողները կարող են օգտագործել՝ սահմաններ չունեցող և բարձր ճնշման տակ աշխատող կաթոդային նյութեր պատրաստելու համար», - ասաց Արգոնի համալսարանի վաստակավոր անդամ Խալիլ Ամինը։ 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。"«Ուղեցույցները պետք է կիրառվեն նաև NMC-ից բացի այլ կաթոդային նյութերի նկատմամբ»։
Այս ուսումնասիրության մասին հոդվածը հայտնվել է Nature Energy ամսագրում: Բացի Սյուից, Ամինից, Լյուից և Չանգից, Արգոնի հեղինակներն են Սյան Լյուն, Վենկատա Սուրյա Չայտանյա Կոլլուրուն, Չեն Չժաոն, Սինվեյ Չժուն, Յուզի Լյուն, Լյան Ինը, Ամին Դաալին, Յանգ Ռենը, Վենցյան Սյու, Ջունջինգ Դենը, Ինհույ Հվանգը, Չենժուն, Չենժունը, Չենժունը։ Լոուրենս Բերքլիի ազգային լաբորատորիայի (Վանլի Յանգ, Ցինթյան Լի և Զենցին Չժուո), Սյամենի համալսարանի (Ջինգ-Ջինգ Ֆան, Լինգ Հուանգ և Շի-Գանգ Սուն) և Ցինհուա համալսարանի (Դոնգշեն Ռեն, Սյունինգ Ֆեն և Մինգաո Օույանգ) գիտնականներ:
Արգոնի նանոմատերիալների կենտրոնի մասին Նանոմատերիալների կենտրոնը, որը ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի հինգ նանոտեխնոլոգիական հետազոտական ​​կենտրոններից մեկն է, միջառարկայական նանոմասշտաբային հետազոտությունների առաջատար ազգային օգտագործող հաստատությունն է, որը ֆինանսավորվում է ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի գիտության գրասենյակի կողմից: Միասին, NSRC-ները կազմում են լրացուցիչ հարմարությունների մի շարք, որոնք հետազոտողներին տրամադրում են նանոմասշտաբային նյութեր արտադրելու, մշակելու, բնութագրելու և մոդելավորելու ժամանակակից հնարավորություններ և ներկայացնում են Ազգային նանոտեխնոլոգիական նախաձեռնության շրջանակներում ամենամեծ ենթակառուցվածքային ներդրումը: NSRC-ն գտնվում է ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի ազգային լաբորատորիաներում՝ Արգոնում, Բրուքհեյվենում, Լոուրենս Բերկլիում, Օուք Ռիջում, Սանդիայում և Լոս Ալամոսում: NSRC DOE-ի մասին լրացուցիչ տեղեկությունների համար այցելեք https://science.osti.gov/User-Faci-lit-ies-s/ Us er-Faci-lit-ieies-at-a-Glance:
ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի առաջադեմ ֆոտոնային աղբյուրը (APS) Արգոնի ազգային լաբորատորիայում աշխարհի ամենաարդյունավետ ռենտգենյան աղբյուրներից մեկն է: APS-ը բարձր ինտենսիվության ռենտգենյան ճառագայթներ է մատակարարում նյութագիտության, քիմիայի, խտացված նյութի ֆիզիկայի, կենսաբանական և շրջակա միջավայրի գիտությունների, ինչպես նաև կիրառական հետազոտությունների բազմազան հետազոտական ​​հանրությանը: Այս ռենտգենյան ճառագայթները իդեալական են նյութերի և կենսաբանական կառուցվածքների, տարրերի բաշխման, քիմիական, մագնիսական և էլեկտրոնային վիճակների, ինչպես նաև բոլոր տեսակի տեխնիկապես կարևոր ինժեներական համակարգերի ուսումնասիրության համար՝ մարտկոցներից մինչև վառելիքի ներարկիչների ծայրակալներ, որոնք կենսական նշանակություն ունեն մեր ազգային տնտեսության, տեխնոլոգիայի և մարմնի համար: Առողջության հիմքը: Ամեն տարի ավելի քան 5000 հետազոտողներ օգտագործում են APS-ը՝ ավելի քան 2000 հրապարակումներ հրապարակելու համար, որոնք մանրամասն նկարագրում են կարևոր հայտնագործությունները և լուծում ավելի կարևոր կենսաբանական սպիտակուցային կառուցվածքներ, քան ցանկացած այլ ռենտգենյան հետազոտական ​​կենտրոնի օգտատերերը: APS գիտնականներն ու ինժեներները ներդնում են նորարարական տեխնոլոգիաներ, որոնք հիմք են հանդիսանում արագացուցիչների և լույսի աղբյուրների աշխատանքի բարելավման համար: Սա ներառում է մուտքային սարքեր, որոնք արտադրում են չափազանց պայծառ ռենտգենյան ճառագայթներ, որոնք գնահատվում են հետազոտողների կողմից, ոսպնյակներ, որոնք կենտրոնացնում են ռենտգենյան ճառագայթները մինչև մի քանի նանոմետր, սարքեր, որոնք մաքսիմալացնում են ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցությունը ուսումնասիրվող նմուշի հետ, ինչպես նաև APS հայտնագործությունների հավաքագրումն ու կառավարումը։ Հետազոտությունները ստեղծում են տվյալների հսկայական ծավալներ։
Այս ուսումնասիրությունը օգտագործել է Advanced Photon Source-ի ռեսուրսները, որը ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի գիտության գրասենյակի օգտագործողների կենտրոն է, որը գործարկվում է Արգոնի ազգային լաբորատորիայի կողմից ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի գիտության գրասենյակի համար՝ DE-AC02-06CH11357 պայմանագրի համարով։
Արգոնի ազգային լաբորատորիան ձգտում է լուծել ներքին գիտության և տեխնոլոգիայի հրատապ խնդիրները: Որպես Միացյալ Նահանգների առաջին ազգային լաբորատորիա՝ Արգոնը իրականացնում է առաջատար հիմնարար և կիրառական հետազոտություններ գրեթե բոլոր գիտական ​​ոլորտներում: Արգոնի հետազոտողները սերտորեն համագործակցում են հարյուրավոր ընկերությունների, համալսարանների և դաշնային, նահանգային և մունիցիպալ գործակալությունների հետազոտողների հետ՝ նրանց օգնելու լուծել որոշակի խնդիրներ, առաջ մղել ԱՄՆ գիտական ​​​​առաջնորդությունը և պատրաստել երկիրը ավելի լավ ապագայի: Արգոննը աշխատանքի է վերցնում ավելի քան 60 երկրներից աշխատողների և ղեկավարվում է ԱՄՆ Էներգետիկայի նախարարության Գիտության գրասենյակի UChicago Argonne, LLC-ի կողմից:
ԱՄՆ Էներգետիկայի նախարարության Գիտության գրասենյակը ֆիզիկական գիտությունների ոլորտում հիմնարար հետազոտությունների ամենամեծ կողմնակիցն է երկրում, որն աշխատում է լուծել մեր ժամանակների ամենահրատապ խնդիրները: Լրացուցիչ տեղեկությունների համար այցելեք https://energy.gov/science.ience կայքը: