米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の研究者は、リチウムイオン電池の分野で先駆的な発見の長い歴史を持っています。これらの結果の多くは、NMC、ニッケルマンガン、コバルト酸化物と呼ばれるバッテリーカソードのものです。このカソードを備えたバッテリーは、シボレーボルトを駆動するようになりました。
アルゴンヌの研究者は、NMCカソードの別のブレークスルーを達成しました。チームの新しい小さなカソード粒子構造により、バッテリーの耐久性が高まり、非常に高電圧で動作し、より長い移動範囲を提供することができます。
「現在、バッテリーメーカーが高圧の境界線のないカソード材料を作るために使用できるガイダンスがあります」と、アルゴンヌフェローの名誉、ハリルアミン。
「既存のNMCカソードは、高電圧作業のための大きなハードルを提示します」と、アシスタント化学者のGuiliang Xu氏は述べています。電荷充電サイクリングを使用すると、カソード粒子の亀裂が形成されるため、性能は急速に低下します。何十年もの間、バッテリーの研究者はこれらの亀裂を修復する方法を探してきました。
過去の1つの方法では、多くのはるかに小さな粒子で構成される小さな球状粒子を使用していました。大きな球状粒子は多結晶であり、さまざまな方向の結晶ドメインがあります。その結果、科学者は粒子間の粒界と呼ぶものを持っているため、サイクル中にバッテリーが割れます。これを防ぐために、XuとArgonneの同僚は以前に各粒子の周りに保護ポリマーコーティングを開発していました。このコーティングは、大きな球状粒子とその中の小さな粒子を囲みます。
この種の亀裂を避ける別の方法は、単結晶粒子を使用することです。これらの粒子の電子顕微鏡検査は、境界がないことを示しました。
チームの問題は、コーティングされた多結晶と単結晶から作られたカソードがサイクリング中にまだ割れていることでした。したがって、彼らは、米国エネルギー省のアルゴンヌ科学センターで、高度な光子源（APS）およびナノ材料センター（CNM）でこれらのカソード材料の広範な分析を実施しました。
5つのAPSアーム（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C、34-ID-E）でさまざまなX線分析を実施しました。科学者が思ったのは、電子とX線顕微鏡で示されるように、実際には内部に境界があったことがわかります。 CNMのスキャンおよび透過型電子顕微鏡により、この結論が確認されました。
「これらの粒子の表面形態を見ると、それらは単結晶のように見えました」と物理学者のウェンジュン・リューは言いました。 â�<「但是、当我们在aps x 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、当当在使用」「しかし、Synchrotron X-Ray回折顕微鏡と呼ばれる手法やAPSのその他の手法を使用したとき、境界が内部に隠されていることがわかりました。」
重要なことに、チームは境界のない単結晶を生成する方法を開発しました。非常に高い電圧でこの単結晶カソードを使用して小さなセルをテストすることで、単位体積あたりのエネルギー貯蔵が25％増加し、100回のテストサイクルでパフォーマンスがほとんど損失しませんでした。対照的に、マルチインターフェイス単結晶またはコーティングされた多結晶で構成されるNMCカソードは、同じ寿命で60％から88％の容量低下を示しました。
原子スケールの計算により、カソード容量の減少のメカニズムが明らかになります。 CNMのナノサイエンティストであるMaria Changによると、境界は、バッテリーが遠く離れた領域よりも充電されると酸素原子を失う可能性が高くなります。この酸素の損失は、細胞周期の分解につながります。
「私たちの計算は、境界が高圧で酸素が放出されることにつながる方法を示しており、パフォーマンスの低下につながる可能性があります」とチャンは言いました。
境界を除去すると、酸素の進化が妨げられ、それによりカソードの安全性と循環安定性が向上します。米国エネルギー省のローレンスバークレー国立研究所でのAPSおよび高度な光源による酸素進化測定値は、この結論を確認します。
「現在、バッテリーメーカーが境界を持たず、高圧で動作するカソード材料を製造するために使用できるガイドラインがあります」と、アルゴンヌフェローの名誉あるハリルアミンは述べています。 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。」「ガイドラインは、NMC以外のカソード材料に適用する必要があります。」
この研究に関する記事は、Nature Energy誌に掲載されました。 Xu、Amin、Liu、Changに加えて、Argonneの著者は、Xiang Liu、Venkata Surya Chaitanya Kolluru、Chen Zhao、Xinwei Zhou、Yuzi Liu、Liang Ying、Amin Daali、Yang Ren、Wenqian Xu、Junjing Deng、Inhui Hwang、Chegan Zonghai Chen。ローレンスバークレー国立研究所（Wanli Yang、Qingtian Li、Zengqing Zhuo）、Xiamen University（Jing-Jing Fan、Ling Huang and Shi-Gang Sun）、Tsinghua University（Dongsheng Ren、Xuning Feng and Mingao Ouyang）の科学者。
ナノ材料のアルゴンヌセンターについて、米国エネルギー省のナノテクノロジー研究センターの1つであるナノ材料センターは、米国エネルギー省の科学局が支援する学際的なナノスケール研究のための最高の国家ユーザー機関です。 NSRCは一緒になって、ナノスケール資料を製造、処理、特性化、モデル化するための最先端の機能を研究者に提供し、国家ナノテクノロジーイニシアチブの下で最大のインフラ投資を代表する一連の補完施設を形成します。 NSRCは、アルゴンヌ、ブルックヘブン、ローレンスバークレー、オークリッジ、サンディア、ロスアラモスの米国エネルギー国立研究所にあります。 NSRC doeの詳細については、https：// science .osti .gov/us er-f a c i ie s/us er-f a c i l it ie s-at -a glanceをご覧ください。
Argonne National Laboratoryの米国エネルギー省の高度な光子源（APS）は、世界で最も生産的なX線源の1つです。 APSは、材料科学、化学、凝縮物質物理学、生命と環境科学、応用研究の多様な研究コミュニティに高強度X線を提供します。これらのX線は、材料と生物学的構造、元素、化学、磁気、電子状態の分布、およびバッテリーから燃料インジェクターノズルまで、あらゆる種類の技術的に重要なエンジニアリングシステムを研究するのに最適です。そして体は健康の基礎です。毎年、5,000人以上の研究者がAPを使用して、他のX線研究センターのユーザーよりも重要な発見を詳述し、より重要な生物学的タンパク質構造を解決する2,000を超える出版物を公開しています。 APSの科学者とエンジニアは、加速器と光源のパフォーマンスを改善するための基礎となる革新的な技術を実装しています。これには、研究者が高く評価する非常に明るいX線、X線を数ナノメートルに焦点を合わせたレンズ、X線が調査中のサンプルと相互作用する方法を最大化する機器、APS発見研究の収集と管理が膨大なデータ量を生成する計器を生成する入力デバイスが含まれます。
この研究では、米国科学科学部門の契約番号DE-AC02-06CH11357の下で運営されている米国エネルギー科学ユーザーセンターの米国エネルギー局であるAdvanced Photon Sourceのリソースを利用しました。
アルゴンヌ国立研究所は、国内科学技術の差し迫った問題を解決するよう努めています。アルゴンヌは、米国で最初の国立研究所として、事実上すべての科学分野で最先端の基本的および応用研究を行っています。 Argonneの研究者は、何百もの企業、大学、連邦、州、および市の機関の研究者と緊密に協力して、特定の問題の解決、米国の科学的リーダーシップを促進し、より良い未来のために国を準備します。 Argonneは60か国以上の従業員を雇用しており、米国エネルギー省の科学局のUchicago Argonne、LLCによって運営されています。
米国エネルギー省の科学局は、物理科学における基礎研究の国内最大の支持者であり、私たちの時代の最も差し迫った問題のいくつかに対処するために取り組んでいます。詳細については、https：// Energy .gov/Science Ienceをご覧ください。