Mae gan ymchwilwyr yn Labordy Cenedlaethol Argonne Adran Ynni'r Unol Daleithiau (DOE) hanes hir o ddarganfyddiadau arloesol ym maes batris lithiwm-ion. Mae llawer o'r canlyniadau hyn ar gyfer catod y batri, o'r enw NMC, nicel manganîs ac ocsid cobalt. Mae batri gyda'r catod hwn bellach yn pweru'r Chevrolet Bolt.
Mae ymchwilwyr Argonne wedi cyflawni datblygiad arall mewn cathodau NMC. Gallai strwythur gronynnau catod bach newydd y tîm wneud y batri yn fwy gwydn ac yn fwy diogel, yn gallu gweithredu ar folteddau uchel iawn a darparu ystodau teithio hirach.
“Mae gennym ni ganllawiau nawr y gall gweithgynhyrchwyr batris eu defnyddio i wneud deunyddiau catod pwysedd uchel, di-ffin,” meddai Khalil Amin, Cymrawd Emeritws Argonne.
“Mae cathodau NMC presennol yn rhwystr mawr ar gyfer gwaith foltedd uchel,” meddai’r cemegydd cynorthwyol Guiliang Xu. Gyda chylchred gwefr-rhyddhau, mae perfformiad yn gostwng yn gyflym oherwydd ffurfio craciau yng ngronynnau’r catod. Ers degawdau, mae ymchwilwyr batri wedi bod yn chwilio am ffyrdd o atgyweirio’r craciau hyn.
Roedd un dull yn y gorffennol yn defnyddio gronynnau sfferig bach a oedd wedi'u gwneud o lawer o ronynnau llawer llai. Mae gronynnau sfferig mawr yn bolygrisialog, gyda pharthau crisialog o wahanol gyfeiriadau. O ganlyniad, mae ganddyn nhw'r hyn y mae gwyddonwyr yn ei alw'n ffiniau grawn rhwng gronynnau, a all achosi i'r batri gracio yn ystod cylchred. I atal hyn, roedd cydweithwyr Xu ac Argonne wedi datblygu haen polymer amddiffynnol o amgylch pob gronyn o'r blaen. Mae'r haen hon yn amgylchynu gronynnau sfferig mawr a gronynnau llai ynddynt.
Ffordd arall o osgoi'r math hwn o gracio yw defnyddio gronynnau crisial sengl. Dangosodd microsgopeg electron o'r gronynnau hyn nad oes ganddynt ffiniau.
Y broblem i'r tîm oedd bod cathodau a wnaed o bolygrisialau wedi'u gorchuddio a chrisialau sengl yn dal i gracio yn ystod y cylchred. Felly, fe wnaethant gynnal dadansoddiad helaeth o'r deunyddiau cathod hyn yn y Ffynhonnell Ffoton Uwch (APS) a'r Ganolfan ar gyfer Nanoddeunyddiau (CNM) yng Nghanolfan Wyddoniaeth Argonne Adran Ynni'r UD.
Perfformiwyd amryw o ddadansoddiadau pelydr-x ar bum braich APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C a 34-ID-E). Mae'n ymddangos bod gan yr hyn yr oedd gwyddonwyr yn ei ystyried yn grisial sengl, fel y dangosir gan ficrosgopeg electron a phelydr-X, ffin y tu mewn mewn gwirionedd. Cadarnhaodd microsgopeg sganio a microsgopeg electron trawsyrru o CNMs y casgliad hwn.
“Pan edrychon ni ar forffoleg wyneb y gronynnau hyn, roedden nhw’n edrych fel crisialau sengl,” meddai’r ffisegydd 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 显微镜的技术加速器 x射线 显微镜的技术加励我们发现边界隐藏在。”“Fodd bynnag, pan wnaethon ni ddefnyddio techneg o’r enw microsgopeg diffractiad pelydr-X synchrotron a thechnegau eraill yn APS, gwelsom fod y ffiniau wedi’u cuddio y tu mewn.”
Yn bwysig, mae'r tîm wedi datblygu dull i gynhyrchu crisialau sengl heb ffiniau. Dangosodd profi celloedd bach gyda'r catod crisial sengl hwn ar folteddau uchel iawn gynnydd o 25% mewn storio ynni fesul uned gyfaint heb fawr ddim colled mewn perfformiad dros 100 o gylchoedd prawf. Mewn cyferbyniad, dangosodd catodau NMC sy'n cynnwys crisialau sengl aml-ryngwyneb neu bolygrisialau wedi'u gorchuddio ostyngiad mewn capasiti o 60% i 88% dros yr un oes.
Mae cyfrifiadau ar raddfa atomig yn datgelu mecanwaith lleihau cynhwysedd catod. Yn ôl Maria Chang, nanowyddonydd yn CNM, mae ffiniau'n fwy tebygol o golli atomau ocsigen pan gaiff y batri ei wefru nag ardaloedd ymhellach i ffwrdd oddi wrthynt. Mae'r golled hon o ocsigen yn arwain at ddirywiad cylchred y gell.
“Mae ein cyfrifiadau’n dangos sut y gall y ffin arwain at ryddhau ocsigen ar bwysedd uchel, a all arwain at berfformiad is,” meddai Chan.
Mae dileu'r ffin yn atal esblygiad ocsigen, a thrwy hynny'n gwella diogelwch a sefydlogrwydd cylchol y catod. Mae mesuriadau esblygiad ocsigen gydag APS a ffynhonnell golau uwch yn Labordy Cenedlaethol Lawrence Berkeley Adran Ynni'r Unol Daleithiau yn cadarnhau'r casgliad hwn.
“Nawr mae gennym ganllawiau y gall gweithgynhyrchwyr batris eu defnyddio i wneud deunyddiau catod nad oes ganddynt ffiniau ac sy'n gweithredu o dan bwysau uchel,” meddai Khalil Amin, Cymrawd Emeritws Argonne. 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。”“Dylai canllawiau fod yn berthnasol i ddeunyddiau catod heblaw am NMC.”
Ymddangosodd erthygl am yr astudiaeth hon yn y cyfnodolyn Nature Energy. Yn ogystal â Xu, Amin, Liu a Chang, mae'r awduron Argonne yn Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwhaio, Chengjun Zhao, Taenu Zhou, Sun, Chengjun, a Sun. Gwyddonwyr o Labordy Cenedlaethol Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li, a Zengqing Zhuo), Prifysgol Xiamen (Jing-Jing Fan , Ling Huang a Shi-Gang Sun) a Phrifysgol Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng a Mingao Ouyang).
Ynglŷn â Chanolfan Nanoddeunyddiau Argonne Y Ganolfan Nanoddeunyddiau, un o bum canolfan ymchwil nanotechnoleg Adran Ynni'r Unol Daleithiau, yw'r prif sefydliad defnyddwyr cenedlaethol ar gyfer ymchwil nanosgâl rhyngddisgyblaethol a gefnogir gan Swyddfa Wyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau. Gyda'i gilydd, mae NSRCs yn ffurfio cyfres o gyfleusterau cyflenwol sy'n darparu galluoedd o'r radd flaenaf i ymchwilwyr ar gyfer cynhyrchu, prosesu, nodweddu a modelu deunyddiau nanosgâl ac yn cynrychioli'r buddsoddiad seilwaith mwyaf o dan y Fenter Nanotechnoleg Genedlaethol. Mae'r NSRC wedi'i leoli yn Labordai Cenedlaethol Adran Ynni'r Unol Daleithiau yn Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia, a Los Alamos. Am ragor o wybodaeth am Adran Ynni'r NSRC, ewch i https://science.osti.gov/User-Fac ilit ie s/ Us er-Fac i l it ie ie s-at-a Glance.
Mae Ffynhonnell Ffoton Uwch (APS) Adran Ynni'r Unol Daleithiau yn Labordy Cenedlaethol Argonne yn un o'r ffynonellau pelydr-X mwyaf cynhyrchiol yn y byd. Mae APS yn darparu pelydrau-X dwyster uchel i gymuned ymchwil amrywiol mewn gwyddor deunyddiau, cemeg, ffiseg mater cyddwys, gwyddorau bywyd ac amgylcheddol, ac ymchwil gymhwysol. Mae'r pelydrau-X hyn yn ddelfrydol ar gyfer astudio deunyddiau a strwythurau biolegol, dosbarthiad elfennau, cyflyrau cemegol, magnetig ac electronig, a systemau peirianneg technegol bwysig o bob math, o fatris i ffroenellau chwistrellwyr tanwydd, sy'n hanfodol i'n heconomi genedlaethol, technoleg a chorff. Sail iechyd. Bob blwyddyn, mae mwy na 5,000 o ymchwilwyr yn defnyddio APS i gyhoeddi mwy na 2,000 o gyhoeddiadau sy'n manylu ar ddarganfyddiadau pwysig ac yn datrys strwythurau protein biolegol pwysicach na defnyddwyr unrhyw ganolfan ymchwil pelydr-X arall. Mae gwyddonwyr a pheirianwyr APS yn gweithredu technolegau arloesol sy'n sail i wella perfformiad cyflymyddion a ffynonellau golau. Mae hyn yn cynnwys dyfeisiau mewnbwn sy'n cynhyrchu pelydrau-X hynod o lachar sy'n cael eu gwerthfawrogi gan ymchwilwyr, lensys sy'n ffocysu pelydrau-X i lawr i ychydig nanometrau, offerynnau sy'n gwneud y mwyaf o'r ffordd y mae pelydrau-X yn rhyngweithio â'r sampl sy'n cael ei hastudio, a chasglu a rheoli darganfyddiadau APS. Mae ymchwil yn cynhyrchu cyfrolau data enfawr.
Defnyddiodd yr astudiaeth hon adnoddau o Advanced Photon Source, Canolfan Defnyddwyr Swyddfa Gwyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau a weithredir gan Labordy Cenedlaethol Argonne ar gyfer Swyddfa Gwyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau o dan rif contract DE-AC02-06CH11357.
Mae Labordy Cenedlaethol Argonne yn ymdrechu i ddatrys problemau dybryd gwyddoniaeth a thechnoleg ddomestig. Fel y labordy cenedlaethol cyntaf yn yr Unol Daleithiau, mae Argonne yn cynnal ymchwil sylfaenol a chymhwysol arloesol ym mron pob disgyblaeth wyddonol. Mae ymchwilwyr Argonne yn gweithio'n agos gydag ymchwilwyr o gannoedd o gwmnïau, prifysgolion, ac asiantaethau ffederal, gwladol a bwrdeistrefol i'w helpu i ddatrys problemau penodol, hyrwyddo arweinyddiaeth wyddonol yr Unol Daleithiau, a pharatoi'r genedl ar gyfer dyfodol gwell. Mae Argonne yn cyflogi gweithwyr o dros 60 o wledydd ac fe'i gweithredir gan UChicago Argonne, LLC o Swyddfa Wyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau.
Swyddfa Wyddoniaeth Adran Ynni'r Unol Daleithiau yw hyrwyddwr mwyaf y genedl o ymchwil sylfaenol yn y gwyddorau ffisegol, gan weithio i fynd i'r afael â rhai o faterion mwyaf dybryd ein hoes. Am ragor o wybodaeth, ewch i https://energy.gov/scienceience.