ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի (DOE) Argonne ազգային լաբորատորիայի հետազոտողները լիթիում-իոնային մարտկոցների ոլորտում հայտնագործությունների երկար պատմություն ունեն: Այս արդյունքներից շատերը վերաբերում են մարտկոցի կաթոդին, որը կոչվում է NMC, նիկել մանգան և կոբալտ օքսիդ: Այս կաթոդով մարտկոցն այժմ սնուցում է Chevrolet Bolt-ը:
Արգոնի հետազոտողները ևս մեկ առաջընթաց են գրանցել NMC կաթոդներում: Թիմի նոր փոքրիկ կաթոդային մասնիկների կառուցվածքը կարող է մարտկոցը դարձնել ավելի դիմացկուն և անվտանգ, որը կարող է աշխատել շատ բարձր լարման ժամանակ և ապահովել ավելի երկար ճանապարհորդության միջակայք:
«Մենք այժմ ունենք ուղեցույց, որը մարտկոցների արտադրողները կարող են օգտագործել բարձր ճնշման, առանց եզրագծերի կաթոդային նյութեր պատրաստելու համար», - Խալիլ Ամին, Argonne Fellow Fellow Fellow:
«Գոյություն ունեցող NMC կաթոդները մեծ խոչընդոտ են բարձր լարման աշխատանքի համար», - ասում է քիմիկոս Գուլիանգ Սյուի օգնականը: Լիցք-լիցքաթափման ցիկլով կատարողականությունը արագորեն նվազում է կաթոդի մասնիկների մեջ ճաքերի առաջացման պատճառով: Տասնամյակներ շարունակ մարտկոցների հետազոտողները ուղիներ են փնտրում այդ ճեղքերը վերականգնելու համար:
Նախկինում մի մեթոդ օգտագործում էր փոքր գնդաձև մասնիկներ, որոնք կազմված էին շատ ավելի փոքր մասնիկներից: Խոշոր գնդաձև մասնիկները բազմաբյուրեղ են՝ տարբեր կողմնորոշման բյուրեղային տիրույթներով։ Արդյունքում, նրանք ունեն այն, ինչ գիտնականներն անվանում են հատիկի սահմաններ մասնիկների միջև, ինչը կարող է հանգեցնել մարտկոցի ճեղքմանը ցիկլի ընթացքում: Դա կանխելու համար Xu-ի և Argonne-ի գործընկերները նախկինում մշակել էին յուրաքանչյուր մասնիկի շուրջ պաշտպանիչ պոլիմերային ծածկույթ: Այս ծածկույթը շրջապատում է մեծ գնդաձև մասնիկները և դրանց ներսում ավելի փոքր մասնիկները:
Նման ճաքերից խուսափելու մեկ այլ միջոց է օգտագործել միայնակ բյուրեղյա մասնիկներ: Այս մասնիկների էլեկտրոնային մանրադիտակը ցույց տվեց, որ դրանք սահմաններ չունեն։
Թիմի խնդիրն այն էր, որ պատված պոլիբյուրեղներից և միայնակ բյուրեղներից պատրաստված կաթոդները դեռևս ճաք էին տալիս հեծանվավազքի ժամանակ: Հետևաբար, նրանք այս կաթոդային նյութերի լայնածավալ վերլուծություն են անցկացրել Advanced Photon Source (APS) և Nanomaterials Center (CNM) կենտրոնում՝ ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության Արգոն գիտական ​​կենտրոնում:
Տարբեր ռենտգենյան անալիզներ են կատարվել հինգ APS թևերի վրա (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C և 34-ID-E): Պարզվում է, որ այն, ինչ գիտնականները կարծում էին, որ մեկ բյուրեղ է, ինչպես ցույց է տրված էլեկտրոնային և ռենտգենյան մանրադիտակը, իրականում ներսում սահման ուներ: CNM-ների սկանավորումը և փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակը հաստատեցին այս եզրակացությունը:
«Երբ մենք նայեցինք այս մասնիկների մակերևութային մորֆոլոգիան, դրանք նման էին միայնակ բյուրեղների», - ասում է 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速器X 射线衍射显微镜的技术和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 技技们 发现 边界 隐藏 在。»:«Սակայն, երբ մենք օգտագործեցինք մի տեխնիկա, որը կոչվում է սինքրոտրոնային ռենտգեն դիֆրակցիոն մանրադիտակ և այլ տեխնիկա APS-ում, մենք պարզեցինք, որ սահմանները թաքնված են ներսում»:
Կարևորն այն է, որ թիմը մշակել է միաբյուրեղներ առանց սահմանների արտադրելու մեթոդ: Այս միաբյուրեղյա կաթոդով փոքր բջիջների փորձարկումը շատ բարձր լարման դեպքում ցույց տվեց էներգիայի պահպանման 25%-ով ավելացում մեկ միավորի ծավալի վրա՝ գործնականում առանց աշխատանքի կորստի 100 փորձարկման ցիկլերի ընթացքում: Ի հակադրություն, NMC կաթոդները, որոնք կազմված են բազմաշերտ միաբյուրեղներից կամ պատված պոլիբյուրեղներից, նույն կյանքի ընթացքում ցույց են տվել հզորության անկում 60%-ից մինչև 88%:
Ատոմային մասշտաբի հաշվարկները բացահայտում են կաթոդի հզորության կրճատման մեխանիզմը: CNM-ի նանոգիտնական Մարիա Չանգի խոսքերով, մարտկոցը լիցքավորելիս սահմաններն ավելի հավանական է, որ կկորցնեն թթվածնի ատոմները, քան դրանցից ավելի հեռու տարածքները: Թթվածնի այս կորուստը հանգեցնում է բջջային ցիկլի քայքայմանը:
«Մեր հաշվարկները ցույց են տալիս, թե ինչպես սահմանը կարող է հանգեցնել թթվածնի արտազատմանը բարձր ճնշման դեպքում, ինչը կարող է հանգեցնել արդյունավետության նվազմանը», - ասաց Չանը:
Սահմանի վերացումը կանխում է թթվածնի էվոլյուցիան՝ դրանով իսկ բարելավելով կաթոդի անվտանգությունը և ցիկլային կայունությունը: Թթվածնի էվոլյուցիայի չափումները APS-ի և ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության Լոուրենս Բերքլիի ազգային լաբորատորիայի առաջադեմ լույսի աղբյուրի միջոցով հաստատում են այս եզրակացությունը:
«Այժմ մենք ունենք ուղեցույցներ, որոնք մարտկոցների արտադրողները կարող են օգտագործել կաթոդային նյութեր պատրաստելու համար, որոնք չունեն սահմաններ և աշխատում են բարձր ճնշման տակ», - ասաց Խալիլ Ամինը, Argonne-ի պատվավոր անդամ: 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 կաթոդային նյութերից բացի NMC-ից»:
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, Վենչյան Սյու, Ջունջինգ Դենը, Ինհույ Հվանգը, Չենջուն Սուն, Տաո Չժոու, Մինգ Դու և Զոնգհայ Չեն: 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:
Նանոմատերիալների Արգոնի կենտրոնի մասին Նանոմատերիալների կենտրոնը, ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության նանոտեխնոլոգիաների հետազոտական ​​հինգ կենտրոններից մեկը, միջդիսցիպլինար նանոմաշտաբի հետազոտությունների ազգային օգտագործող հաստատությունն է, որն աջակցում է ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության գիտության գրասենյակը: Միասին NSRC-ները կազմում են լրացուցիչ սարքավորումների մի շարք, որոնք հետազոտողներին տալիս են նանոմաշտաբով նյութեր պատրաստելու, մշակելու, բնութագրելու և մոդելավորելու նորագույն հնարավորություններ և ներկայացնում են Նանոտեխնոլոգիայի ազգային նախաձեռնության շրջանակներում ամենամեծ ենթակառուցվածքային ներդրումները: NSRC-ը տեղակայված է ԱՄՆ-ի Էներգետիկայի դեպարտամենտի ազգային լաբորատորիաներում՝ Արգոնում, Բրուքհավենում, Լոուրենս Բերքլիում, Օք Ռիջում, Սանդիայում և Լոս Ալամոսում: NSRC DOE-ի մասին լրացուցիչ տեղեկությունների համար այցելեք https://science.osti.gov/​User​-​Fa​cilit​​ie​s er - Fac ilitie, այսինքն, մի հայացքով:
ԱՄՆ Էներգետիկայի դեպարտամենտի առաջադեմ ֆոտոնային աղբյուրը (APS) Արգոնի ազգային լաբորատորիայում, ռենտգենյան ճառագայթների ամենաարդյունավետ աղբյուրներից մեկն է աշխարհում: APS-ն ապահովում է բարձր ինտենսիվության ռենտգենյան ճառագայթներ տարբեր հետազոտական ​​համայնքին նյութերագիտության, քիմիայի, խտացված նյութերի ֆիզիկայի, կյանքի և շրջակա միջավայրի գիտությունների և կիրառական հետազոտությունների ոլորտներում: Այս ռենտգենյան ճառագայթները իդեալական են նյութերի և կենսաբանական կառուցվածքների, տարրերի բաշխման, քիմիական, մագնիսական և էլեկտրոնային վիճակների և տեխնիկապես կարևոր բոլոր տեսակի ինժեներական համակարգերի ուսումնասիրության համար՝ մարտկոցներից մինչև վառելիքի ներարկիչի վարդակներ, որոնք կենսական նշանակություն ունեն մեր ազգային տնտեսության, տեխնոլոգիայի համար։ . և մարմինը Առողջության հիմքը. Ամեն տարի ավելի քան 5000 հետազոտողներ օգտագործում են APS-ը՝ հրապարակելու ավելի քան 2000 հրապարակումներ, որոնք մանրամասնում են կարևոր հայտնագործությունները և լուծում են ավելի կարևոր կենսաբանական սպիտակուցային կառուցվածքներ, քան ցանկացած այլ ռենտգեն հետազոտական ​​կենտրոնի օգտվողներ: APS-ի գիտնականներն ու ինժեներները կիրառում 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, գործիքներ, որոնք առավելագույնի են հասցնում ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցությունը հետազոտվող նմուշի հետ և APS հայտնագործությունների հավաքում և կառավարում: Հետազոտությունը ստեղծում է տվյալների հսկայական ծավալներ:
Այս ուսումնասիրությունը օգտագործել է Advanced Photon Source-ի ռեսուրսները՝ ԱՄՆ էներգետիկայի դեպարտամենտի Գիտության գրասենյակի օգտագործողների կենտրոնից, որը շահագործվում է ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության Գիտության գրասենյակի Argonne ազգային լաբորատորիայի կողմից՝ DE-AC02-06CH11357 պայմանագրով:
Արգոնի ազգային լաբորատորիան ձգտում է լուծել հայրենական գիտության և տեխնիկայի հրատապ խնդիրները: Որպես Միացյալ Նահանգների առաջին ազգային լաբորատորիա՝ Արգոնն իրականացնում է ժամանակակից հիմնարար և կիրառական հետազոտություններ գործնականում բոլոր գիտական ​​առարկաներում: Արգոնի հետազոտողները սերտորեն համագործակցում են հարյուրավոր ընկերությունների, համալսարանների և դաշնային, նահանգային և մունիցիպալ գործակալությունների հետազոտողների հետ՝ օգնելու նրանց լուծել կոնկրետ խնդիրներ, առաջ մղել ԱՄՆ գիտական ​​ղեկավարությունը և նախապատրաստել ազգին ավելի լավ ապագայի համար: Argonne-ն աշխատում է ավելի քան 60 երկրներից և ղեկավարվում է UChicago Argonne ՍՊԸ-ի կողմից՝ ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության գիտության գրասենյակի կողմից:
ԱՄՆ-ի Էներգետիկայի դեպարտամենտի գիտության գրասենյակը ֆիզիկական գիտությունների հիմնական հետազոտությունների ազգային ամենամեծ ջատագովն է, որն աշխատում է լուծել մեր ժամանակի ամենահրատապ խնդիրներից մի քանիսը: Լրացուցիչ տեղեկությունների համար այցելեք https://energy.gov/​science​ience: