Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) têm uma longa história de descobertas pioneiras no campo de baterias de íon-lítio. Muitos desses resultados são para o cátodo da bateria, chamado NMC, níquel manganês e óxido de cobalto. Uma bateria com este cátodo agora alimenta o Chevrolet Bolt.
Os pesquisadores da Argonne alcançaram outro avanço nos cátodos NMC. A nova estrutura de minúsculas partículas catódicas da equipe poderia tornar a bateria mais durável e segura, capaz de operar em tensões muito altas e fornecer intervalos de viagem mais longos.
“Agora temos orientações que os fabricantes de baterias podem usar para fabricar materiais catódicos de alta pressão e sem bordas”, Khalil Amin, Argonne Fellow Emérito.
“Os cátodos NMC existentes representam um grande obstáculo para o trabalho de alta tensão”, disse o químico assistente Guiliang Xu. Com o ciclo de carga-descarga, o desempenho cai rapidamente devido à formação de rachaduras nas partículas do cátodo. Durante décadas, os pesquisadores de baterias têm procurado maneiras de reparar essas rachaduras.
No passado, um método usava minúsculas partículas esféricas compostas de muitas partículas muito menores. Grandes partículas esféricas são policristalinas, com domínios cristalinos de várias orientações. Como resultado, eles têm o que os cientistas chamam de limites de grãos entre as partículas, o que pode causar rachaduras na bateria durante um ciclo. Para evitar isso, os colegas de Xu e Argonne já haviam desenvolvido um revestimento protetor de polímero ao redor de cada partícula. Este revestimento envolve partículas esféricas grandes e partículas menores dentro delas.
Outra forma de evitar esse tipo de rachadura é usar partículas de cristal único. A microscopia eletrônica dessas partículas mostrou que elas não têm limites.
O problema para a equipe era que os cátodos feitos de policristais revestidos e monocristais ainda rachavam durante o ciclo. Portanto, eles conduziram uma extensa análise desses materiais catódicos na Advanced Photon Source (APS) e no Center for Nanomaterias (CNM) no Argonne Science Center do Departamento de Energia dos EUA.
Várias análises radiográficas foram realizadas em cinco braços APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Acontece que o que os cientistas pensavam ser um único cristal, conforme mostrado pela microscopia eletrônica e de raios X, na verdade tinha uma fronteira interna. A microscopia eletrônica de varredura e transmissão de CNMs confirmou esta conclusão.
“Quando observamos a morfologia da superfície dessas partículas, elas pareciam monocristais”, disse o 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。”“No entanto, quando usamos uma técnica chamada microscopia de difração de raios X síncrotron e outras técnicas na APS, descobrimos que os limites estavam escondidos no interior.”
É importante ressaltar que a equipe desenvolveu um método para produzir monocristais sem limites. Testar pequenas células com este cátodo de cristal único em tensões muito altas mostrou um aumento de 25% no armazenamento de energia por unidade de volume, praticamente sem perda de desempenho em 100 ciclos de teste. Em contraste, os cátodos NMC compostos de monocristais multi-interface ou policristais revestidos mostraram uma queda de capacidade de 60% a 88% durante a mesma vida útil.
Cálculos em escala atômica revelam o mecanismo de redução da capacitância catódica. De acordo com Maria Chang, nanocientista do CNM, os limites têm maior probabilidade de perder átomos de oxigênio quando a bateria está carregada do que áreas mais distantes deles. Essa perda de oxigênio leva à degradação do ciclo celular.
“Nossos cálculos mostram como o limite pode levar à liberação de oxigênio em alta pressão, o que pode levar à redução do desempenho”, disse Chan.
A eliminação do limite impede a evolução do oxigênio, melhorando assim a segurança e a estabilidade cíclica do cátodo. Medições da evolução do oxigênio com APS e uma fonte de luz avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA confirmam esta conclusão.
“Agora temos diretrizes que os fabricantes de baterias podem usar para fabricar materiais catódicos que não têm limites e operam em alta pressão”, disse Khalil Amin, Argonne Fellow Emérito. 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。”“As diretrizes devem ser aplicadas a materiais catódicos que não sejam NMC.”
Um artigo sobre este estudo foi publicado na revista Nature Energy. Além de Xu, Amin, Liu e Chang, os autores de Argonne são 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 e Zonghai Chen. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), da Universidade de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e da Universidade de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Sobre o Centro Argonne de Nanomateriais O Centro de Nanomateriais, um dos cinco centros de pesquisa em nanotecnologia do Departamento de Energia dos EUA, é a principal instituição usuária nacional para pesquisas interdisciplinares em nanoescala, apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. Juntos, os NSRCs formam um conjunto de instalações complementares que fornecem aos pesquisadores capacidades de última geração para fabricar, processar, caracterizar e modelar materiais em nanoescala e representam o maior investimento em infraestrutura no âmbito da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia. O NSRC está localizado nos Laboratórios Nacionais do Departamento de Energia dos EUA em Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Para obter mais informações sobre o 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​-​at​-a​-Glance.
A Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne é uma das fontes de raios X mais produtivas do mundo. APS fornece raios X de alta intensidade para uma comunidade diversificada de pesquisa em ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências da vida e ambientais e pesquisa aplicada. Esses raios X são ideais para estudar materiais e estruturas biológicas, a distribuição de elementos, estados químicos, magnéticos e eletrônicos, e sistemas de engenharia tecnicamente importantes de todos os tipos, desde baterias até bicos injetores de combustível, que são vitais para nossa economia nacional, tecnologia . e corpo A base da saúde. A cada ano, mais de 5.000 pesquisadores usam o APS para publicar mais de 2.000 publicações detalhando descobertas importantes e resolvendo estruturas de proteínas biológicas mais importantes do que os usuários de qualquer outro centro de pesquisa de raios-X. Cientistas e engenheiros da APS estão implementando tecnologias inovadoras que são a base para melhorar o desempenho de aceleradores e fontes de luz. Isso inclui dispositivos de entrada que produzem raios X extremamente brilhantes apreciados pelos pesquisadores, lentes que focalizam os raios X até alguns nanômetros, instrumentos que maximizam a maneira como os raios X interagem com a amostra em estudo e a coleta e gerenciamento de descobertas de APS. A pesquisa gera enormes volumes de dados.
Este estudo utilizou recursos da Advanced Photon Source, um Centro de Usuários do Departamento de Energia dos EUA, operado pelo Argonne National Laboratory para o Departamento de Energia dos EUA, sob o contrato número DE-AC02-06CH11357.
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