Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne, do Departamento de Energia dos EUA (DOE), têm uma longa história de descobertas pioneiras no campo das baterias de íons de lítio. Muitos desses resultados são para o cátodo da bateria, chamado NMC, níquel-manganês e óxido de cobalto. Uma bateria com esse cátodo agora alimenta o Chevrolet Bolt.
Pesquisadores da Argonne alcançaram mais um avanço nos cátodos NMC. A nova estrutura de partículas catódicas minúsculas desenvolvida pela equipe pode tornar a bateria mais durável e segura, capaz de operar em tensões muito altas e proporcionar alcances de viagem mais longos.
“Agora temos orientações que os fabricantes de baterias podem usar para produzir materiais de cátodo de alta pressão e sem bordas”, Khalil Amin, membro emérito da Argonne.
“Os cátodos NMC existentes representam um grande obstáculo para o trabalho em alta tensão”, disse o químico assistente Guiliang Xu. Com os ciclos de carga-descarga, o desempenho cai rapidamente devido à formação de rachaduras nas partículas do cátodo. Há décadas, pesquisadores de baterias buscam maneiras de reparar essas rachaduras.
Um método no passado utilizava minúsculas partículas esféricas compostas por muitas partículas muito menores. Partículas esféricas grandes são policristalinas, com domínios cristalinos de várias orientações. Como resultado, elas apresentam o que os cientistas chamam de contornos 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 polimérico protetor ao redor de cada partícula. Esse revestimento envolve as partículas esféricas grandes e as partículas menores dentro delas.
Outra maneira de evitar esse tipo de rachadura é usar partículas monocristalinas. 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. Por isso, eles conduziram uma análise extensiva desses materiais catódicos na Fonte Avançada de Fótons (APS) e no Centro de Nanomateriais (CNM) do Centro de Ciências 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). Descobriu-se que o que os cientistas pensavam ser um único cristal, como demonstrado por microscopia eletrônica e de raios X, na verdade continha uma borda interna. A microscopia eletrônica de varredura e transmissão de CNMs confirmou essa conclusão.
“Quando observamos a morfologia da superfície dessas partículas, elas pareciam cristais únicos”, 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 lá dentro.”
Importante destacar que a equipe desenvolveu um método para produzir monocristais sem limites. Testes em células pequenas com este cátodo de monocristal em tensões muito altas demonstraram um aumento de 25% no armazenamento de energia por unidade de volume, com praticamente nenhuma perda de desempenho ao longo de 100 ciclos de teste. Em contraste, cátodos NMC compostos por monocristais multiinterface ou policristais revestidos apresentaram 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 da CNM, as fronteiras têm maior probabilidade de perder átomos de oxigênio quando a bateria é carregada do que áreas mais distantes delas. 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 da barreira impede a evolução de oxigênio, melhorando assim a segurança e a estabilidade cíclica do cátodo. Medições de evolução de oxigênio com APS e uma fonte de luz avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA confirmam essa conclusão.
“Agora temos diretrizes que os fabricantes de baterias podem usar para fabricar materiais catódicos que não tenham limites e operem em alta pressão”, disse Khalil Amin, membro emérito da Argonne Fellow. 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 diferentes de 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 Argonne Center for Nanomaterials O Center for Nanomaterials, um dos cinco centros de pesquisa em nanotecnologia do Departamento de Energia dos EUA, é a principal instituição nacional de usuários para pesquisa interdisciplinar 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 recursos de última geração para fabricar, processar, caracterizar e modelar materiais em nanoescala e representam o maior investimento em infraestrutura sob a 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 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. A APS fornece raios X de alta intensidade para uma comunidade de pesquisa diversificada em ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências biológicas e ambientais e pesquisa aplicada. Esses raios X são ideais para o estudo de 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 a economia, tecnologia e corpo de nossa nação. A base da saúde. A cada ano, mais de 5.000 pesquisadores usam a 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, valorizados pelos pesquisadores, lentes que focalizam raios X até 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 do APS. A pesquisa gera enormes volumes de dados.
Este estudo utilizou recursos da Advanced Photon Source, um Centro de Usuários do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA, operado pelo Argonne National Laboratory para o Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA sob o número de contrato DE-AC02-06CH11357.
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