अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) आर्गनन नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं के पास लिथियम-आयन बैटरी के क्षेत्र में अग्रणी खोजों का एक लंबा इतिहास है। इनमें से कई परिणाम बैटरी कैथोड के लिए हैं, जिन्हें एनएमसी, निकेल मैंगनीज और कोबाल्ट ऑक्साइड कहा जाता है। इस कैथोड के साथ एक बैटरी अब शेवरले बोल्ट को शक्ति प्रदान करती है।
आर्गन के शोधकर्ताओं ने एनएमसी कैथोड्स में एक और सफलता हासिल की है। टीम की नई छोटी कैथोड कण संरचना बैटरी को अधिक टिकाऊ और सुरक्षित बना सकती है, जो बहुत अधिक वोल्टेज पर काम करने में सक्षम है और लंबी यात्रा रेंज प्रदान करती है।
"अब हमारे पास मार्गदर्शन है कि बैटरी निर्माता उच्च दबाव, सीमावर्ती कैथोड सामग्री बनाने के लिए उपयोग कर सकते हैं," खलील अमीन, आर्गन फेलो एमेरिटस।
"मौजूदा एनएमसी कैथोड उच्च वोल्टेज काम के लिए एक बड़ी बाधा पेश करते हैं," सहायक रसायनज्ञ गिलियांग जू ने कहा। चार्ज-डिस्चार्ज साइकलिंग के साथ, कैथोड कणों में दरारें के गठन के कारण प्रदर्शन तेजी से गिरता है। दशकों से, बैटरी शोधकर्ता इन दरारों को ठीक करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं।
अतीत में एक विधि ने छोटे गोलाकार कणों का इस्तेमाल किया, जो कई छोटे कणों से बना था। बड़े गोलाकार कण पॉलीक्रिस्टलाइन होते हैं, विभिन्न झुकावों के क्रिस्टलीय डोमेन के साथ। नतीजतन, उनके पास वैज्ञानिकों को कणों के बीच अनाज की सीमाएं कहते हैं, जिससे एक चक्र के दौरान बैटरी दरार हो सकती है। इसे रोकने के लिए, जू और आर्गन के सहयोगियों ने पहले प्रत्येक कण के चारों ओर एक सुरक्षात्मक बहुलक कोटिंग विकसित की थी। यह कोटिंग बड़े गोलाकार कणों और उनके भीतर छोटे कणों को घेरती है।
इस तरह के क्रैकिंग से बचने का एक और तरीका एकल क्रिस्टल कणों का उपयोग करना है। इन कणों के इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला कि उनकी कोई सीमा नहीं है।
टीम के लिए समस्या यह थी कि लेपित पॉलीक्रिस्टल और एकल क्रिस्टल से बने कैथोड अभी भी साइकिल चलाने के दौरान फटा हैं। इसलिए, उन्होंने यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के आर्गनिन साइंस सेंटर में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) और सेंटर फॉर नैनोमेटेरियल्स (सीएनएम) में इन कैथोड सामग्रियों का व्यापक विश्लेषण किया।
पांच एपीएस आर्म्स (11-बीएम, 20-बीएम, 2-आईडी-डी, 11-आईडी-सी और 34-आईडी-ई) पर विभिन्न एक्स-रे विश्लेषण किए गए। यह पता चला है कि वैज्ञानिकों ने जो सोचा था वह एक एकल क्रिस्टल था, जैसा कि इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे माइक्रोस्कोपी द्वारा दिखाया गया था, वास्तव में अंदर एक सीमा थी। CNM के स्कैनिंग और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने इस निष्कर्ष की पुष्टि की।
"जब हमने इन कणों की सतह आकृति विज्ञान को देखा, तो वे एकल क्रिस्टल की तरह दिखते थे," भौतिक विज्ञानी वेनजुन लियू ने कहा। एक <"但是 ， 当我们在 当我们在 aps 使用一种称为同步加速器 x ， 我们发现边界隐藏在内部。 我们发现边界隐藏在内部。" " एक <"但是 ， 当 在 在 在 使用 种 称为 称为 同步 加速器 加速器 射线 射线 的 和 其他 其他 时 ， 我们 我们 我们 发现 发现 发现 发现 发现 发现 发现 我们 我们 ， 时 其他 其他 和 和"हालांकि, जब हमने एपीएस में सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे विवर्तन माइक्रोस्कोपी और अन्य तकनीकों नामक एक तकनीक का उपयोग किया, तो हमने पाया कि सीमाएं अंदर छिपी हुई थीं।"
महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने सीमाओं के बिना एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए एक विधि विकसित की है। बहुत अधिक वोल्टेज पर इस एकल-क्रिस्टल कैथोड के साथ छोटी कोशिकाओं का परीक्षण करते हुए प्रति यूनिट मात्रा में ऊर्जा भंडारण में 25% की वृद्धि देखी गई, जिसमें लगभग 100 परीक्षण चक्रों में प्रदर्शन में कोई नुकसान नहीं हुआ। इसके विपरीत, NMC कैथोड्स मल्टी-इंटरफेस सिंगल क्रिस्टल या लेपित पॉलीक्रिस्टल से बना एक ही जीवनकाल में 60% से 88% की क्षमता गिरावट देखी गई।
परमाणु पैमाने की गणना कैथोड कैपेसिटेंस में कमी के तंत्र को प्रकट करती है। सीएनएम में एक नैनोसाइंटिस्ट मारिया चांग के अनुसार, सीमाओं को ऑक्सीजन परमाणुओं को खोने की अधिक संभावना है जब बैटरी को उनसे दूर क्षेत्रों की तुलना में चार्ज किया जाता है। ऑक्सीजन के इस नुकसान से सेल चक्र का क्षरण होता है।
"हमारी गणना से पता चलता है कि कैसे सीमा उच्च दबाव में ऑक्सीजन को जारी कर सकती है, जिससे प्रदर्शन कम हो सकता है," चैन ने कहा।
सीमा को समाप्त करना ऑक्सीजन के विकास को रोकता है, जिससे कैथोड की सुरक्षा और चक्रीय स्थिरता में सुधार होता है। एपीएस के साथ ऑक्सीजन विकास माप और अमेरिकी ऊर्जा विभाग के लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एक उन्नत प्रकाश स्रोत इस निष्कर्ष की पुष्टि करते हैं।
"अब हमारे पास दिशानिर्देश हैं कि बैटरी निर्माता कैथोड सामग्री बनाने के लिए उपयोग कर सकते हैं, जिनकी कोई सीमा नहीं है और उच्च दबाव में संचालित होता है," खलील अमीन, आर्गन फेलो एमेरिटस ने कहा। एक <"该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。" एक <"该指南应适用于 nmc 以外的其他正极材料。""दिशानिर्देश एनएमसी के अलावा कैथोड सामग्री पर लागू होने चाहिए।"
इस अध्ययन के बारे में एक लेख नेचर एनर्जी पत्रिका में दिखाई दिया। जू, अमीन, लियू और चांग के अलावा, आर्गन के लेखक हैं जियांग लियू, वेंकट सूर्य चैतन्य कोलुरु, चेन झाओ, शिनवेई झोउ, युजी लियू, लिआंग यिंग, एमिन दैली, यांग रेन, वेनकियन एक्सयू, जुनजिंग, जुनज, जुनज, जुनज, जुनजिंग, ज़ोनघाई चेन। लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी (वानली यांग, किंग्टियन ली, और ज़ेंगकिंग ज़ूओ), ज़ियामेन यूनिवर्सिटी (जिंग-जिंग फैन, लिंग हुआंग और शि-गैंग सन) और त्सिंघुआ यूनिवर्सिटी (डोंगशेंग रेन, एक्सुनिंग फेंग और मिंगाओ ओयंग) के वैज्ञानिक।
नैनोमैटेरियल्स के लिए आर्गनने सेंटर के बारे में, नैनोमेट्रिक सेंटर, पांच अमेरिकी ऊर्जा विभाग नैनोटेक्नोलॉजी अनुसंधान केंद्रों में से एक, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय द्वारा समर्थित अंतःविषय नैनोस्केल अनुसंधान के लिए प्रमुख राष्ट्रीय उपयोगकर्ता संस्थान है। साथ में, NSRCs पूरक सुविधाओं का एक सूट बनाते हैं जो शोधकर्ताओं को नैनोस्केल सामग्री को गढ़ने, प्रसंस्करण, विशेषता और मॉडलिंग करने के लिए अत्याधुनिक क्षमताओं के साथ प्रदान करते हैं और राष्ट्रीय नैनो प्रौद्योगिकी पहल के तहत सबसे बड़े बुनियादी ढांचे के निवेश का प्रतिनिधित्व करते हैं। NSRC US ARGONNE, BROOKHAVEN, लॉरेंस बर्कले, ओक रिज, सैंडिया और लॉस अलामोस में अमेरिकी ऊर्जा विभाग राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में स्थित है। NSRC DOE के बारे में अधिक जानकारी के लिए, https: // science .osti .gov/us er-f a c i lit ie s/us er-f a c i l it ie i यानी s-at -a glance पर जाएं।
आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में अमेरिकी ऊर्जा विभाग के उन्नत फोटॉन स्रोत (एपीएस) दुनिया में सबसे अधिक उत्पादक एक्स-रे स्रोतों में से एक है। एपीएस सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान, और अनुप्रयुक्त अनुसंधान में एक विविध अनुसंधान समुदाय को उच्च तीव्रता वाले एक्स-रे प्रदान करता है। ये एक्स-रे सामग्री और जैविक संरचनाओं, तत्वों, रासायनिक, चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के वितरण, और सभी प्रकार के तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए आदर्श हैं, बैटरी से लेकर ईंधन इंजेक्टर नोजल तक, जो हमारी राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था, प्रौद्योगिकी के लिए महत्वपूर्ण हैं। और शरीर स्वास्थ्य का आधार। प्रत्येक वर्ष, 5,000 से अधिक शोधकर्ता 2,000 से अधिक प्रकाशनों को प्रकाशित करने के लिए एपीएस का उपयोग करते हैं, जो महत्वपूर्ण खोजों का विवरण देते हैं और किसी भी अन्य एक्स-रे अनुसंधान केंद्र के उपयोगकर्ताओं की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाओं को हल करते हैं। एपीएस वैज्ञानिक और इंजीनियर अभिनव प्रौद्योगिकियों को लागू कर रहे हैं जो त्वरक और प्रकाश स्रोतों के प्रदर्शन में सुधार के लिए आधार हैं। इसमें इनपुट डिवाइस शामिल हैं जो शोधकर्ताओं द्वारा बेशकीमती एक्स-रे का उत्पादन करने वाले बेहद उज्ज्वल एक्स-रे का उत्पादन करते हैं, जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर, उपकरणों पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जो कि अध्ययन के तहत नमूने के साथ एक्स-रे के साथ बातचीत करने के तरीके को अधिकतम करते हैं, और एपीएस की खोज और प्रबंधन की खोज अनुसंधान अनुसंधान के लिए विशाल डेटा वॉल्यूम उत्पन्न करता है।
इस अध्ययन ने एडवांस्ड फोटॉन स्रोत से संसाधनों का उपयोग किया, जो कि यूएस डिपार्टमेंट ऑफ साइंस यूजर सेंटर के एक अमेरिकी विभाग के लिए संचालित है, जो अनुबंध संख्या DE-AC02-06CH11357 के तहत विज्ञान के अमेरिकी ऊर्जा कार्यालय के लिए आर्गन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा संचालित है।
आर्गन नेशनल लेबोरेटरी घरेलू विज्ञान और प्रौद्योगिकी की दबाव समस्याओं को हल करने का प्रयास करती है। संयुक्त राज्य अमेरिका में पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला के रूप में, आर्गनने लगभग हर वैज्ञानिक अनुशासन में अत्याधुनिक बुनियादी और लागू अनुसंधान का संचालन करता है। आर्गन के शोधकर्ता सैकड़ों कंपनियों, विश्वविद्यालयों, और संघीय, राज्य और नगरपालिका एजेंसियों के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम करते हैं ताकि उन्हें विशिष्ट समस्याओं को हल करने में मदद मिल सके, अमेरिकी वैज्ञानिक नेतृत्व को आगे बढ़ाया जा सके, और बेहतर भविष्य के लिए राष्ट्र तैयार किया जा सके। आर्गन 60 से अधिक देशों के कर्मचारियों को नियुक्त करता है और यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफ साइंस के एलएलसी उचिकैगो आर्गन द्वारा संचालित होता है।
अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान का कार्यालय भौतिक विज्ञान में बुनियादी अनुसंधान का देश का सबसे बड़ा प्रस्तावक है, जो हमारे समय के कुछ सबसे अधिक दबाव वाले मुद्दों को संबोधित करने के लिए काम कर रहा है। अधिक जानकारी के लिए, https: // ऊर्जा .gov/विज्ञान ience पर जाएं।