Los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) tienen una larga historia de descubrimientos pioneros en el campo de las baterías de iones de litio. Muchos de estos resultados son para el cátodo de la batería, llamado NMC, manganeso de níquel y óxido de cobalto. Una batería con este cátodo ahora alimenta el Bolt Chevrolet.
Los investigadores de Argonne han logrado otro avance en los cátodos de NMC. La nueva estructura de partículas de cátodo del equipo podría hacer que la batería sea más duradera y segura, capaz de funcionar a voltajes muy altos y proporcionar rangos de viaje más largos.
"Ahora tenemos orientación que los fabricantes de baterías pueden usar para hacer materiales de cátodo sin fronteras y de alta presión", Khalil Amin, compañero de Argonne emérito.
"Los cátodos NMC existentes presentan un obstáculo importante para el trabajo de alto voltaje", dijo el químico asistente Guiliang Xu. Con el ciclo de descarga de carga, el rendimiento cae rápidamente debido a la formación de grietas en las partículas de cátodo. Durante décadas, los investigadores de la batería han estado buscando formas de reparar estas grietas.
Un método en el pasado utilizó pequeñas partículas esféricas compuestas de muchas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinos, con dominios cristalinos de varias orientaciones. Como resultado, tienen lo que los científicos llaman límites de grano entre partículas, lo que puede hacer que la batería se agrieta durante un ciclo. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente un recubrimiento de polímero protector alrededor de cada partícula. Este recubrimiento rodea grandes partículas esféricas y partículas más pequeñas dentro de ellas.
Otra forma de evitar este tipo de grietas es usar partículas de cristal único. La microscopía electrónica de estas partículas mostró que no tienen límites.
El problema para el equipo era que los cátodos hechos de policristales recubiertos y cristales individuales aún se agrietaron durante el ciclismo. Por lo tanto, realizaron un análisis extenso de estos materiales de cátodo en la fuente de fotones avanzados (APS) y el Centro de Nanomateriales (CNM) en el Centro de Ciencias de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Se realizaron varios análisis de rayos X en cinco brazos APS (11-BM, 20-BM, 2-D-D, 11-ID-C y 34-ID-E). Resulta que lo que los científicos pensaban que era un solo cristal, como lo demuestra la microscopía electrónica y de rayos X, en realidad tenía un límite en el interior. La microscopía electrónica de barrido y transmisión de CNM confirmó esta conclusión.
"Cuando miramos la morfología de la superficie de estas partículas, parecían cristales individuales", dijo el físico 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。""Sin embargo, cuando utilizamos una técnica llamada microscopía de difracción de rayos X sincrotrón y otras técnicas en APS, encontramos que los límites estaban ocultos por dentro".
Es importante destacar que el equipo ha desarrollado un método para producir cristales individuales sin límites. La prueba de células pequeñas con este cátodo de cristal único a voltajes muy altos mostró un aumento del 25% en el almacenamiento de energía por unidad de volumen prácticamente sin pérdida en el rendimiento de más de 100 ciclos de prueba. En contraste, los cátodos de NMC compuestos de cristales individuales de la interfaz múltiple o policristales recubiertos mostraron una caída de capacidad del 60% al 88% durante la misma vida.
Los cálculos de la escala atómica revelan el mecanismo de reducción de la capacitancia del cátodo. Según Maria Chang, una nanocientista en CNM, es más probable que los límites pierdan átomos de oxígeno cuando la batería se carga que las áreas más lejos de ellos. Esta pérdida de oxígeno conduce a la degradación del ciclo celular.
"Nuestros cálculos muestran cómo el límite puede conducir a que el oxígeno se libere a alta presión, lo que puede conducir a un rendimiento reducido", dijo Chan.
Eliminar el límite previene la evolución del oxígeno, mejorando así la seguridad y la estabilidad cíclica del cátodo. Las mediciones de la evolución del oxígeno con APS y una fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos confirman esta conclusión.
"Ahora tenemos pautas que los fabricantes de baterías pueden usar para fabricar materiales de cátodo que no tienen límites y operan a alta presión", dijo Khalil Amin, compañero emérito de Argonne. â� <"该指南应适用于 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 该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。""Las pautas deben aplicarse a los materiales de cátodo distintos de NMC".
Un artículo sobre este estudio apareció en la revista 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. Científicos del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li y Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang y Shi-Gang Sun) y la Universidad Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng y Mingao Oyang).
Sobre el Centro de Argonne para Nanomateriales, el Centro de Nanomateriales, uno de los cinco Centros de Investigación de Nanotecnología del Departamento de Energía de los Estados Unidos, es la principal institución nacional de usuarios para la investigación interdisciplinaria a nanoescala respaldada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Juntos, los NSRC forman un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de vanguardia para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala y representar la mayor inversión de infraestructura bajo la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. El NSRC se encuentra en los Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos. Para obtener más información sobre el DOE NSRC, visite https: // Science .OSTi .gov/us Er-f a c I Lit Ie s/us Er-f a c i l it ie, es decir, a una mirada.
La fuente avanzada de fotones (APS) del Departamento de Energía de los Estados Unidos en el Laboratorio Nacional de Argonne es una de las fuentes de rayos X más productivas del mundo. APS proporciona radiografías de alta intensidad a una comunidad de investigación diversa en ciencia de materiales, química, física de materia condensada, ciencias de la vida y ambiental, y la investigación aplicada. Estas radiografías son ideales para estudiar materiales y estructuras biológicas, la distribución de elementos, estados químicos, magnéticos y electrónicos, y sistemas de ingeniería técnicamente importantes de todo tipo, desde baterías hasta boquillas de inyectores de combustible, que son vitales para nuestra economía nacional, la tecnología. y cuerpo la base de la salud. Cada año, más de 5,000 investigadores usan APS para publicar más de 2,000 publicaciones que detallan descubrimientos importantes y resuelven estructuras de proteínas biológicas más importantes que los usuarios de cualquier otro centro de investigación de rayos X. Los científicos e ingenieros de APS están implementando tecnologías innovadoras que son la base para mejorar el rendimiento de los aceleradores y las fuentes de luz. Esto incluye dispositivos de entrada que producen radiografías extremadamente brillantes apreciadas por investigadores, lentes que enfocan las radiografías en algunos nanómetros, los instrumentos que maximizan la forma en que los rayos X interactúan con la muestra en estudio y la recolección y gestión de la investigación de descubrimientos APS genera grandes volúmenes de datos.
Este estudio utilizó recursos de Advanced Photon Source, un centro de usuarios de la Oficina de Energía de EE. UU. Operado por el Laboratorio Nacional de Argonne para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el número de contrato DE-AC02-06CH11357.
El Laboratorio Nacional de Argonne se esfuerza por resolver los problemas apremiantes de la ciencia y la tecnología doméstica. Como primer laboratorio nacional en los Estados Unidos, Argonne realiza investigaciones básicas y aplicadas de vanguardia en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan en estrecha colaboración con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarlos a resolver problemas específicos, avanzar en el liderazgo científico estadounidense y preparar a la nación para un futuro mejor. Argonne emplea a empleados de más de 60 países y es operado por Uchicago Argonne, LLC de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
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