Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) têm uma longa história de descobertas pioneiras no campo das baterias de íon de 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 parafuso Chevrolet.
Os pesquisadores de Argonne alcançaram outro avanço nos catodos do NMC. A nova pequena estrutura de partículas de cátodo da equipe pode tornar a bateria mais durável e segura, capaz de operar com tensões muito altas e fornecer faixas de viagem mais longas.
"Agora temos orientação que os fabricantes de baterias podem usar para fazer materiais cátodos de alta pressão e sem fronteiras", Khalil Amin, companheiro emérito de Argonne.
"Os cátodos do NMC existentes apresentam um grande obstáculo para o trabalho de alta tensão", disse o químico assistente Guiliang Xu. Com o ciclo de carga de carga, o desempenho cai rapidamente devido à formação de rachaduras nas partículas do cátodo. Durante décadas, os pesquisadores de baterias procuram maneiras de reparar essas rachaduras.
Um método no passado usava pequenas partículas esféricas compostas por muitas partículas muito menores. As 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 partículas, o que pode fazer com que a bateria quebre durante um ciclo. Para evitar isso, os colegas de Xu e Argonne haviam desenvolvido anteriormente um revestimento protetor de polímeros em torno de cada partícula. Este revestimento envolve grandes partículas esféricas e partículas menores dentro delas.
Outra maneira 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 catodos feitos de policristais revestidos e cristais únicos ainda rachavam durante o ciclismo. Portanto, eles realizaram uma extensa análise desses materiais cátodos na fonte avançada de fótons (APS) e no Centro de Nanomateriais (CNM) no Centro de Ciência de Argonne do Departamento de Energia dos EUA.
Várias análises de raios X 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, como mostra a microscopia de elétrons e raios-X, na verdade tinha um limite no interior. A microscopia eletrônica de varredura e transmissão de CNMs confirmou esta conclusão.
"Quando olhamos para a morfologia da superfície dessas partículas, elas pareciam cristais únicos", disse o físico Wenjun Liu. `� <“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。” � <“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 ， ， 我们 发现 边界 隐藏”"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 por dentro".
É importante ressaltar que a equipe desenvolveu um método para produzir cristais únicos sem limites. Testar células pequenas com esse 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. Por outro lado, os cátodos NMC compostos por cristais únicos de interface múltipla ou policristais revestidos mostraram uma queda de capacidade de 60% a 88% na mesma vida útil.
Os cálculos de escala atômica revelam o mecanismo de redução da capacitância do cátodo. Segundo Maria Chang, nanocientista da CNM, é mais provável que os limites perdam átomos de oxigênio quando a bateria é carregada do que as áreas mais distantes deles. Essa perda de oxigênio leva à degradação do ciclo celular.
"Nossos cálculos mostram como o limite pode levar o oxigênio a ser liberado em alta pressão, o que pode levar a um desempenho reduzido", disse Chan.
A eliminação do limite impede a evolução do oxigênio, melhorando assim a segurança e a estabilidade cíclica do cátodo. Medidas de evolução do oxigênio com APS e uma fonte de luz avançada no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, do Departamento de Energia dos EUA, confirma essa conclusão.
"Agora, temos diretrizes que os fabricantes de baterias podem usar para criar materiais cátodo que não têm limites e operem em alta pressão", disse Khalil Amin, companheiro emérito de Argonne. `� <“该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。” `� <“该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。”"As diretrizes devem ser aplicadas a materiais cátodo que não sejam NMC."
Um artigo sobre este estudo apareceu na 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. Cientistas do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), Xiamen University (Fã de Jing-Jing, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Sobre o Centro de Nanomateriais Argonne, o Centro de Nanomateriais, um dos cinco centros de pesquisa de nanotecnologia do Departamento de Energia dos EUA, é a principal instituição de usuário nacional de pesquisa em nanoescala interdisciplinar 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 nanoescala e representam o maior investimento em infraestrutura sob a iniciativa nanotecnológica nacional. 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: // cienty .osti .gov/us-f a c i iluminado ie s/us-f a c i l it ie s-em -a olha.
A fonte avançada de fótons do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne é uma das fontes de raios-X mais produtivas do mundo. A APS fornece raios-X de alta intensidade para uma comunidade de pesquisa diversificada em ciência de 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, de baterias a 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 APs para publicar mais de 2.000 publicações detalhando descobertas importantes e resolvendo estruturas 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 valorizados por pesquisadores, lentes que focam raios-X em alguns nanômetros, instrumentos que maximizam a maneira como os raios-X interagem com a amostra em estudo, e a coleta e o gerenciamento de descobertas de APS pesquisam os enormes volumes de dados.
Este estudo utilizou os recursos da Advanced Photon Source, um Centro de Usuário do Departamento de Energia dos EUA operado pelo Laboratório Nacional de Argonne para o Departamento de Energia dos EUA do Escritório de Ciência do Contrato De-AC02-06CH11357.
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