अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) को आर्गोन राष्ट्रिय प्रयोगशालाका अनुसन्धानकर्ताहरूको लिथियम-आयन ब्याट्रीको क्षेत्रमा अग्रणी खोजहरूको लामो इतिहास छ। यी मध्ये धेरै परिणामहरू ब्याट्री क्याथोड, जसलाई NMC भनिन्छ, निकल म्यांगनीज र कोबाल्ट अक्साइडको लागि हुन्। यो क्याथोड भएको ब्याट्रीले अब शेभ्रोलेट बोल्टलाई शक्ति दिन्छ।
आर्गोनका अनुसन्धानकर्ताहरूले NMC क्याथोडहरूमा अर्को सफलता हासिल गरेका छन्। टोलीको नयाँ सानो क्याथोड कण संरचनाले ब्याट्रीलाई अझ टिकाउ र सुरक्षित बनाउन सक्छ, धेरै उच्च भोल्टेजमा सञ्चालन गर्न र लामो यात्रा दायरा प्रदान गर्न सक्षम हुन सक्छ।
"हामीसँग अब ब्याट्री निर्माताहरूले उच्च-दबाव, सीमाविहीन क्याथोड सामग्रीहरू बनाउन प्रयोग गर्न सक्ने मार्गदर्शन छ," अर्गोन फेलो एमेरिटस खलील अमिनले भने।
"अवस्थित NMC क्याथोडहरूले उच्च भोल्टेजको कामको लागि प्रमुख बाधा प्रस्तुत गर्दछन्," सहायक रसायनशास्त्री गुइलियाङ जूले भने। चार्ज-डिस्चार्ज साइकल चलाउँदा, क्याथोड कणहरूमा दरारहरू बन्ने कारणले प्रदर्शन द्रुत रूपमा घट्छ। दशकौंदेखि, ब्याट्री अनुसन्धानकर्ताहरूले यी दरारहरू मर्मत गर्ने तरिकाहरू खोजिरहेका छन्।
विगतमा एउटा विधिमा धेरै साना कणहरू मिलेर बनेको सानो गोलाकार कणहरू प्रयोग गरिन्थ्यो। ठूला गोलाकार कणहरू पोलिक्रिस्टलाइन हुन्छन्, जसमा विभिन्न अभिमुखीकरणका क्रिस्टलीय डोमेनहरू हुन्छन्। फलस्वरूप, तिनीहरूसँग कणहरू बीच वैज्ञानिकहरूले भनेका अन्न सीमाहरू हुन्छन्, जसले चक्रको समयमा ब्याट्री क्र्याक गर्न सक्छ। यसलाई रोक्नको लागि, जू र अर्गोनका सहकर्मीहरूले पहिले प्रत्येक कण वरिपरि सुरक्षात्मक पोलिमर कोटिंग विकास गरेका थिए। यो कोटिंगले ठूला गोलाकार कणहरू र तिनीहरू भित्रका साना कणहरूलाई घेरेको हुन्छ।
यस प्रकारको क्र्याकिंगबाट बच्ने अर्को तरिका भनेको एकल क्रिस्टल कणहरू प्रयोग गर्नु हो। यी कणहरूको इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपीले देखायो कि तिनीहरूको कुनै सीमा छैन।
टोलीको लागि समस्या यो थियो कि लेपित पोलिक्रिस्टल र एकल क्रिस्टलबाट बनेका क्याथोडहरू साइकल चलाउँदा पनि फुट्छन्। त्यसकारण, उनीहरूले अमेरिकी ऊर्जा विभागको अर्गोन विज्ञान केन्द्रको उन्नत फोटोन स्रोत (APS) र सेन्टर फर नानोमटेरियल्स (CNM) मा यी क्याथोड सामग्रीहरूको विस्तृत विश्लेषण गरे।
पाँच APS हातहरू (११-BM, २०-BM, २-ID-D, ११-ID-C र ३४-ID-E) मा विभिन्न एक्स-रे विश्लेषणहरू गरियो। इलेक्ट्रोन र एक्स-रे माइक्रोस्कोपीले देखाएको अनुसार वैज्ञानिकहरूले एकल क्रिस्टल ठानेको कुराको भित्री सीमा थियो भन्ने कुरा पत्ता लाग्यो। CNMs को स्क्यानिङ र प्रसारण इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपीले यो निष्कर्षलाई पुष्टि गर्‍यो।
"जब हामीले यी कणहरूको सतह आकारविज्ञानलाई हेर्यौं, तिनीहरू एकल क्रिस्टल जस्तै देखिन्थे," भौतिकशास्त्री वेन्जुन लिउले भने। 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 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的技术 使用 的技术 和和发现 边界 隐藏 在।”"यद्यपि, जब हामीले APS मा सिंक्रोट्रोन एक्स-रे विवर्तन माइक्रोस्कोपी र अन्य प्रविधिहरू प्रयोग गर्यौं, हामीले सीमाहरू भित्र लुकेका थिए भनेर पत्ता लगायौं।"
महत्त्वपूर्ण कुरा के छ भने, टोलीले सीमा बिना एकल क्रिस्टल उत्पादन गर्ने विधि विकास गरेको छ। धेरै उच्च भोल्टेजमा यो एकल-क्रिस्टल क्याथोडको साथ साना कोषहरूको परीक्षण गर्दा १०० परीक्षण चक्रहरूमा कार्यसम्पादनमा लगभग कुनै हानि नभएको प्रति एकाइ भोल्युममा ऊर्जा भण्डारणमा २५% वृद्धि देखिएको छ। यसको विपरित, बहु-इन्टरफेस एकल क्रिस्टल वा लेपित पोलिक्रिस्टलहरू मिलेर बनेको NMC क्याथोडहरूले उही जीवनकालमा ६०% देखि ८८% सम्मको क्षमता गिरावट देखाए।
परमाणु स्केल गणनाले क्याथोड क्यापेसिटन्स घटाउने संयन्त्र प्रकट गर्छ। CNM का न्यानो वैज्ञानिक मारिया चाङका अनुसार, ब्याट्री चार्ज गर्दा सीमाहरू टाढाका क्षेत्रहरू भन्दा सीमाहरूमा अक्सिजन परमाणुहरू गुमाउने सम्भावना बढी हुन्छ। अक्सिजनको यो क्षतिले कोशिका चक्रको क्षयीकरण निम्त्याउँछ।
"हाम्रो गणनाले देखाउँछ कि कसरी सीमाले उच्च चापमा अक्सिजन छोड्न सक्छ, जसले कार्यसम्पादन घटाउन सक्छ," चानले भने।
सीमा हटाउनाले अक्सिजन विकासलाई रोक्छ, जसले गर्दा क्याथोडको सुरक्षा र चक्रीय स्थिरतामा सुधार हुन्छ। अमेरिकी ऊर्जा विभागको लरेन्स बर्कले राष्ट्रिय प्रयोगशालामा APS र उन्नत प्रकाश स्रोतको साथ अक्सिजन विकास मापनले यो निष्कर्षलाई पुष्टि गर्छ।
"अब हामीसँग ब्याट्री निर्माताहरूले कुनै सीमा नभएका र उच्च चापमा सञ्चालन हुने क्याथोड सामग्रीहरू बनाउन प्रयोग गर्न सक्ने दिशानिर्देशहरू छन्," अर्गोन फेलो एमेरिटस खलील अमिनले भने। 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.”"निर्देशिकाहरू NMC बाहेक अन्य क्याथोड सामग्रीहरूमा लागू हुनुपर्छ।"
यस अध्ययनको बारेमा एक लेख नेचर एनर्जी जर्नलमा प्रकाशित भयो। Xu, Amin, Liu र Chang को अतिरिक्त, Argonne लेखकहरू Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Munghai Zhung, Minghu Chengho र Chingo Zhun हो। लरेन्स बर्कले राष्ट्रिय प्रयोगशाला (वानली याङ, क्विङ्टियन ली, र जेङकिङ झुओ), सियामेन विश्वविद्यालय (जिङ-जिङ फ्यान, लिंग ह्वाङ र शि-ग्याङ सन) र सिङ्घुआ विश्वविद्यालय (डोङसेङ रेन, जुनिङ फेङ र मिङगाओ ओउयाङ)का वैज्ञानिकहरू।
अर्गोन सेन्टर फर न्यानोमटेरियल्सको बारेमा अमेरिकी ऊर्जा विभागको पाँच न्यानोटेक्नोलोजी अनुसन्धान केन्द्रहरू मध्ये एक, सेन्टर फर न्यानोमटेरियल्स, अमेरिकी ऊर्जा विभागको विज्ञान कार्यालयद्वारा समर्थित अन्तरविषय न्यानोस्केल अनुसन्धानको लागि प्रमुख राष्ट्रिय प्रयोगकर्ता संस्था हो। सँगै, NSRC हरूले पूरक सुविधाहरूको एक सुइट बनाउँछन् जसले अनुसन्धानकर्ताहरूलाई न्यानोस्केल सामग्रीहरू निर्माण, प्रशोधन, विशेषताकरण र मोडेलिङको लागि अत्याधुनिक क्षमताहरू प्रदान गर्दछ र राष्ट्रिय न्यानोटेक्नोलोजी पहल अन्तर्गत सबैभन्दा ठूलो पूर्वाधार लगानीको प्रतिनिधित्व गर्दछ। NSRC अर्गोन, ब्रुकहेवन, लरेन्स बर्कले, ओक रिज, स्यान्डिया र लस अलामोसमा रहेको अमेरिकी ऊर्जा विभागको राष्ट्रिय प्रयोगशालाहरूमा अवस्थित छ। NSRC DOE को बारेमा थप जानकारीको लागि, https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​s​-​at​-a​Glance मा जानुहोस्।
अमेरिकी ऊर्जा विभागको आर्गोन राष्ट्रिय प्रयोगशालामा रहेको उन्नत फोटोन स्रोत (APS) संसारको सबैभन्दा उत्पादक एक्स-रे स्रोतहरू मध्ये एक हो। APS ले पदार्थ विज्ञान, रसायन विज्ञान, संकुचित पदार्थ भौतिकी, जीवन र वातावरणीय विज्ञान, र लागू अनुसन्धानमा विविध अनुसन्धान समुदायलाई उच्च-तीव्रता एक्स-रे प्रदान गर्दछ। यी एक्स-रेहरू सामग्री र जैविक संरचनाहरू, तत्वहरूको वितरण, रासायनिक, चुम्बकीय र इलेक्ट्रोनिक अवस्थाहरू, र ब्याट्रीदेखि इन्धन इन्जेक्टर नोजलहरूसम्म सबै प्रकारका प्राविधिक रूपमा महत्त्वपूर्ण इन्जिनियरिङ प्रणालीहरूको अध्ययनको लागि आदर्श हुन्, जुन हाम्रो राष्ट्रिय अर्थतन्त्र, प्रविधि र शरीरको स्वास्थ्यको आधार हो। प्रत्येक वर्ष, ५,००० भन्दा बढी अनुसन्धानकर्ताहरूले APS प्रयोग गरेर महत्त्वपूर्ण खोजहरूको विवरण दिने र अन्य कुनै पनि एक्स-रे अनुसन्धान केन्द्रका प्रयोगकर्ताहरू भन्दा बढी महत्त्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाहरू समाधान गर्ने २,००० भन्दा बढी प्रकाशनहरू प्रकाशित गरिरहेका छन्। APS वैज्ञानिकहरू र इन्जिनियरहरूले एक्सेलेरेटर र प्रकाश स्रोतहरूको कार्यसम्पादन सुधार गर्ने आधार भएका नवीन प्रविधिहरू लागू गरिरहेका छन्। यसमा अनुसन्धानकर्ताहरूले मूल्यवान ठानेका अत्यन्तै उज्ज्वल एक्स-रे उत्पादन गर्ने इनपुट उपकरणहरू, केही न्यानोमिटरसम्म एक्स-रे केन्द्रित गर्ने लेन्सहरू, अध्ययन अन्तर्गत नमूनासँग एक्स-रेले अन्तरक्रिया गर्ने तरिकालाई अधिकतम बनाउने उपकरणहरू, र APS खोजहरूको सङ्कलन र व्यवस्थापन समावेश छन्। अनुसन्धानले विशाल डेटा मात्रा उत्पन्न गर्दछ।
यस अध्ययनले DE-AC02-06CH11357 अनुबंध नम्बर अन्तर्गत अमेरिकी ऊर्जा विज्ञान कार्यालयको लागि अर्गोन राष्ट्रिय प्रयोगशालाद्वारा सञ्चालित अमेरिकी ऊर्जा विभागको विज्ञान कार्यालय प्रयोगकर्ता केन्द्र, उन्नत फोटोन स्रोतबाट स्रोतहरू प्रयोग गर्‍यो।
आर्गोन राष्ट्रिय प्रयोगशालाले घरेलु विज्ञान र प्रविधिको गम्भीर समस्याहरू समाधान गर्न प्रयासरत छ। संयुक्त राज्य अमेरिकाको पहिलो राष्ट्रिय प्रयोगशालाको रूपमा, आर्गोनले लगभग हरेक वैज्ञानिक विषयमा अत्याधुनिक आधारभूत र व्यावहारिक अनुसन्धान सञ्चालन गर्दछ। आर्गोनका अनुसन्धानकर्ताहरूले सयौं कम्पनीहरू, विश्वविद्यालयहरू, र संघीय, राज्य र नगरपालिका एजेन्सीहरूका अनुसन्धानकर्ताहरूसँग नजिकबाट काम गर्छन् जसले गर्दा उनीहरूलाई विशिष्ट समस्याहरू समाधान गर्न, अमेरिकी वैज्ञानिक नेतृत्वलाई अगाडि बढाउन र राष्ट्रलाई राम्रो भविष्यको लागि तयार पार्न मद्दत मिल्छ। आर्गोनले ६० भन्दा बढी देशका कर्मचारीहरूलाई रोजगारी दिन्छ र यो अमेरिकी ऊर्जा विभागको विज्ञान कार्यालयको UChicago Argonne, LLC द्वारा सञ्चालित छ।
अमेरिकी ऊर्जा विभागको विज्ञान कार्यालय भौतिक विज्ञानमा आधारभूत अनुसन्धानको राष्ट्रको सबैभन्दा ठूलो समर्थक हो, जसले हाम्रो समयका केही सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण मुद्दाहरूलाई सम्बोधन गर्न काम गरिरहेको छ। थप जानकारीको लागि, https://​energy​.gov/​science​ience मा जानुहोस्।