Les chercheurs du Laboratoire national Argonne du Département américain de l'Énergie (DOE) ont une longue histoire de découvertes pionnières dans le domaine des batteries lithium-ion. Beaucoup de ces résultats sont destinés à la cathode de batterie, appelée NMC, manganèse nickel et oxyde de cobalt. Une batterie avec cette cathode alimente désormais le boulon Chevrolet.
Les chercheurs d'Argonne ont réalisé une autre percée dans les cathodes NMC. La nouvelle structure de particules de cathode de l'équipe pourrait rendre la batterie plus durable et plus sûre, capable de fonctionner à des tensions très élevées et de fournir des gammes de voyage plus longues.
«Nous avons maintenant des conseils que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux de cathode à haute pression et sans frontières», Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
«Les cathodes NMC existantes présentent un obstacle majeur pour les travaux à haute tension», a déclaré le chimiste adjoint Guiliang Xu. Avec le cyclisme de la décharge de charge, les performances chutent rapidement en raison de la formation de fissures dans les particules de cathode. Depuis des décennies, les chercheurs à batterie recherchent des moyens de réparer ces fissures.
Une méthode dans le passé utilisait de minuscules particules sphériques composées de nombreuses particules beaucoup plus petites. Les grandes particules sphériques sont polycristallines, avec des domaines cristallins de diverses orientations. En conséquence, ils ont ce que les scientifiques appellent les frontières des grains entre les particules, ce qui peut provoquer la fissuration de la batterie pendant un cycle. Pour éviter cela, les collègues de Xu et Argonne avaient déjà développé un revêtement de polymère protecteur autour de chaque particule. Ce revêtement entoure de grandes particules sphériques et des particules plus petites.
Une autre façon d'éviter ce type de fissuration consiste à utiliser des particules monocristallines. La microscopie électronique de ces particules a montré qu'elles n'avaient pas de limites.
Le problème pour l'équipe était que les cathodes fabriquées à partir de polycristaux revêtus et de monocristaux se sont encore craqués pendant le vélo. Par conséquent, ils ont effectué une analyse approfondie de ces matériaux de cathode à la source de photons avancée (APS) et au Centre des nanomatériaux (CNM) au Centre des sciences argonne du département américain de l'énergie.
Diverses analyses aux rayons X ont été effectuées sur cinq bras APS (11-bm, 20-bm, 2-ID-D, 11-ID-C et 34-ID-E). Il s'avère que ce que les scientifiques pensaient être un seul cristal, comme le montre la microscopie électronique et aux rayons X, avaient en fait une frontière à l'intérieur. La microscopie électronique à balayage et à transmission des CNM a confirmé cette conclusion.
"Lorsque nous avons regardé la morphologie de surface de ces particules, elles ressemblaient à des monocristaux", a déclaré le physicien Wenjun Liu. 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 技术 和 其他 时 ， 我们 发现 边界 隐藏 在。 在。 在。 在。 在。 技术 和 时 ， 我们 边界 隐藏 隐藏 在。 在。"Cependant, lorsque nous avons utilisé une technique appelée microscopie de diffraction des rayons X synchrotron et d'autres techniques à APS, nous avons constaté que les limites étaient cachées à l'intérieur."
Surtout, l'équipe a développé une méthode pour produire des monocristaux sans limites. Le test de petites cellules avec cette cathode monocristallière à des tensions très élevées a montré une augmentation de 25% du stockage d'énergie par volume unitaire avec pratiquement aucune perte de performance sur 100 cycles de test. En revanche, les cathodes NMC composées de monocristaux multi-interfaces ou de polycristaux revêtus ont montré une baisse de capacité de 60% à 88% sur la même vie.
Les calculs d'échelle atomique révèlent le mécanisme de réduction de la capacité de la cathode. Selon Maria Chang, nanoscientifique chez CNM, les limites sont plus susceptibles de perdre des atomes d'oxygène lorsque la batterie est chargée que les zones plus éloignées d'eux. Cette perte d'oxygène entraîne une dégradation du cycle cellulaire.
"Nos calculs montrent comment la frontière peut entraîner la libération de l'oxygène à haute pression, ce qui peut entraîner une réduction des performances", a déclaré Chan.
L'élimination de la frontière empêche l'évolution de l'oxygène, améliorant ainsi la sécurité et la stabilité cyclique de la cathode. Les mesures d'évolution de l'oxygène avec APS et une source de lumière avancée au laboratoire national de Lawrence Berkeley du ministère américain de l'Énergie confirment cette conclusion.
"Maintenant, nous avons des directives que les fabricants de batteries peuvent utiliser pour fabriquer des matériaux cathodiques qui n'ont pas de frontières et qui fonctionnent à haute pression", a déclaré Khalil Amin, camarade émérite d'Argonne. 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。"«Les directives doivent s'appliquer aux matériaux cathodiques autres que NMC.»
Un article sur cette étude est apparu dans la revue Nature Energy. In addition to Xu, Amin, Liu and Chang, the Argonne authors are 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 Zhou, Ming Du, and Zonghai Chen. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li et Zengqing Zhuo), de l'Université de Xiamen (fan de Jing-Jing, Ling Huang et Shi-Gang Sun) et l'Université Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng et Mingao Ouyang).
À propos du Argonne Center for Nanomaterials Le Center for Nanomaterials, l'un des cinq centres de recherche américaine du Département de la nanotechnologie du Département de l'énergie, est la première institution nationale d'utilisateurs pour la recherche interdisciplinaire en nanoscale soutenue par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie. Ensemble, les NSRC forment une suite d'installations complémentaires qui offrent aux chercheurs des capacités de pointe pour fabriquer, traiter, caractériser et modéliser des matériaux nanométriques et représenter le plus grand investissement d'infrastructure dans le cadre de l'initiative nationale de nanotechnologie. Le NSRC est situé aux laboratoires nationaux du Département américain de l'énergie d'Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia et Los Alamos. Pour plus d'informations sur la DOE NSRC, visitez https: // science .osti .gov / us er - f a c i éclairant ie s / us er - f a c i l it ie ie s - at -a gance.
La source de photons avancée (APS) du Département américain de l'Énergie du Laboratoire national d'Argonne est l'une des sources de rayons X les plus productives au monde. APS fournit des radiographies de haute intensité à une communauté de recherche diversifiée en science des matériaux, en chimie, en physique de la matière condensée, en vie et en sciences environnementales et en recherches appliquées. Ces rayons X sont idéaux pour étudier les matériaux et les structures biologiques, la distribution des éléments, des états chimiques, magnétiques et électroniques, et des systèmes d'ingénierie techniquement importants de toutes sortes, des batteries pour alimenter les buses d'injecteur, qui sont vitales pour notre économie nationale, la technologie. et corps la base de la santé. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent des AP pour publier plus de 2 000 publications détaillant des découvertes importantes et résolvant des structures de protéines biologiques plus importantes que les utilisateurs de tout autre centre de recherche sur les rayons X. Les scientifiques et les ingénieurs de l'APS mettent en œuvre des technologies innovantes qui sont à la base de l'amélioration des performances des accélérateurs et des sources lumineuses. Cela comprend des dispositifs d'entrée qui produisent des rayons X extrêmement brillants prisés par les chercheurs, des objectifs qui concentrent les rayons X jusqu'à quelques nanomètres, des instruments qui maximisent la façon dont les rayons X interagissent avec l'échantillon à l'étude, et la collecte et la gestion de la recherche sur les découvertes APS génère d'énormes volumes de données.
Cette étude a utilisé des ressources d'Advanced Photon Source, un centre d'utilisateurs du ministère des Sciences des États-Unis, exploité par Argonne National Laboratory pour le Département américain de l'Énergie Office of Science en vertu du numéro de contrat DE-AC02-06CH11357.
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