Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (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, níquel manganeso y óxido de cobalto. Una batería con este cátodo ahora alimenta el Chevrolet Bolt.
Los investigadores de Argonne han logrado otro gran avance en los cátodos NMC. La nueva estructura de partículas catódicas diminutas del equipo podría hacer que la batería sea más duradera y segura, capaz de operar a voltajes muy altos y proporcionar rangos de recorrido más largos.
"Ahora contamos con orientación que los fabricantes de baterías pueden utilizar para fabricar materiales catódicos sin bordes y de alta presión", dijo Khalil Amin, miembro emérito de Argonne.
"Los cátodos NMC existentes presentan un obstáculo importante para el trabajo de alto voltaje", dijo el químico asistente Guiliang Xu. Con los ciclos de carga-descarga, el rendimiento cae rápidamente debido a la formación de grietas en las partículas del cátodo. Durante décadas, los investigadores de baterías han estado buscando formas de reparar estas grietas.
En el pasado, un método utilizaba pequeñas partículas esféricas compuestas de muchas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinas, con dominios cristalinos de diversas orientaciones. Como resultado, tienen lo que los científicos llaman límites de grano entre partículas, lo que puede provocar que la batería se agriete durante un ciclo. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente una capa protectora de polímero alrededor de cada partícula. Este recubrimiento rodea partículas esféricas grandes y partículas más pequeñas dentro de ellas.
Otra forma de evitar este tipo de agrietamiento es utilizar partículas monocristalinas. La microscopía electrónica de estas partículas mostró que no tienen límites.
El problema para el equipo fue que los cátodos fabricados con policristales recubiertos y monocristales todavía se agrietaban durante el ciclo. Por lo tanto, llevaron a cabo un análisis exhaustivo de estos materiales catódicos en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y el Centro de Nanomateriales (CNM) del Centro de Ciencias Argonne del Departamento de Energía de EE. UU.
Se realizaron varios análisis de rayos X en cinco brazos de APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C y 34-ID-E). Resulta que lo que los científicos pensaban que era un cristal único, como lo muestran la microscopía electrónica y de rayos X, en realidad tenía un límite en su interior. La microscopía electrónica de barrido y transmisión de CNM confirmó esta conclusión.
"Cuando observamos la morfología de la superficie de estas partículas, parecían monocristales", 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, descubrimos que los límites estaban ocultos en el interior".
Es importante destacar que el equipo ha desarrollado un método para producir monocristales sin límites. Las pruebas de celdas pequeñas con este cátodo monocristalino a voltajes muy altos mostraron un aumento del 25 % en el almacenamiento de energía por unidad de volumen sin prácticamente ninguna pérdida de rendimiento durante 100 ciclos de prueba. Por el contrario, los cátodos NMC compuestos por monocristales de múltiples interfaces o policristales recubiertos mostraron una caída de capacidad del 60 % al 88 % durante el mismo tiempo de vida.
Los cálculos a escala atómica revelan el mecanismo de reducción de la capacitancia del cátodo. Según María Chang, nanocientífica del CNM, es más probable que los límites pierdan átomos de oxígeno cuando la batería está cargada que las áreas más alejadas de ellos. Esta pérdida de oxígeno conduce a la degradación del ciclo celular.
"Nuestros cálculos muestran cómo el límite puede provocar la liberación de oxígeno a alta presión, lo que puede provocar una reducción del rendimiento", dijo Chan.
La eliminación del límite evita la evolución de 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 EE. UU. confirman esta conclusión.
"Ahora tenemos directrices que los fabricantes de baterías pueden utilizar para fabricar materiales catódicos que no tengan límites y funcionen a alta presión", afirmó Khalil Amin, miembro emérito de 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。”"Las directrices deben aplicarse a materiales catódicos distintos del NMC".
Un artículo sobre este estudio apareció en la revista Nature Energy. Además de Xu, Amin, Liu y Chang, los autores de Argonne son 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 y Zonghai Chen. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li y Zengqing Zhuo), la Universidad de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang y Shi-Gang Sun) y la Universidad de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng y Mingao Ouyang).
Acerca del Centro Argonne de Nanomateriales El Centro de Nanomateriales, uno de los cinco centros de investigación de nanotecnología del Departamento de Energía de EE. UU., es la principal institución nacional usuaria de investigación interdisciplinaria a nanoescala respaldada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Juntos, los NSRC forman un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de última generación para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala y representan la mayor inversión en infraestructura bajo la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. El NSRC está ubicado en los Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos. Para obtener más información sobre el NSRC DOE, visite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​de​-un vistazo.
La Fuente Avanzada de Fotones (APS) del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne es una de las fuentes de rayos X más productivas del mundo. APS proporciona rayos X de alta intensidad a una comunidad de investigación diversa en ciencia de materiales, química, física de la materia condensada, ciencias biológicas y ambientales e investigación aplicada. Estos rayos X 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, tecnología. . y cuerpo La base de la salud. Cada año, más de 5000 investigadores utilizan APS para publicar más de 2000 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 aceleradores y fuentes de luz. Esto incluye dispositivos de entrada que producen rayos X extremadamente brillantes apreciados por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, instrumentos que maximizan la forma en que los rayos X interactúan con la muestra bajo estudio y la recopilación y gestión de los descubrimientos de APS. La investigación genera enormes volúmenes de datos.
Este estudio utilizó recursos de Advanced Photon Source, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. operado por el Laboratorio Nacional Argonne para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el número de contrato DE-AC02-06CH11357.
El Laboratorio Nacional Argonne se esfuerza por resolver los problemas acuciantes de la ciencia y la tecnología nacionales. Como primer laboratorio nacional de los Estados Unidos, Argonne lleva a cabo 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, promover el liderazgo científico de EE. UU. 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 EE. UU.
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