यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी (DOE) च्या आर्गोन नॅशनल लॅबोरेटरीमधील संशोधकांना लिथियम-आयन बॅटरीच्या क्षेत्रात अग्रगण्य शोधांचा दीर्घ इतिहास आहे. यातील बरेच निकाल बॅटरी कॅथोड, ज्याला NMC म्हणतात, निकेल मॅंगनीज आणि कोबाल्ट ऑक्साईडसाठी आहेत. या कॅथोडसह बॅटरी आता शेवरलेट बोल्टला शक्ती देते.
आर्गोन संशोधकांनी एनएमसी कॅथोड्समध्ये आणखी एक यश मिळवले आहे. टीमची नवीन लहान कॅथोड कण रचना बॅटरीला अधिक टिकाऊ आणि सुरक्षित बनवू शकते, खूप उच्च व्होल्टेजवर ऑपरेट करण्यास सक्षम आणि जास्त प्रवास श्रेणी प्रदान करू शकते.
"आमच्याकडे आता असे मार्गदर्शन आहे ज्याचा वापर बॅटरी उत्पादक उच्च-दाब, सीमारहित कॅथोड साहित्य बनवण्यासाठी करू शकतात," खलील अमीन, अर्गोन फेलो एमेरिटस.
"विद्यमान एनएमसी कॅथोड्स उच्च व्होल्टेज कामासाठी एक मोठा अडथळा आहेत," असे सहाय्यक रसायनशास्त्रज्ञ गिलियांग झू म्हणाले. चार्ज-डिस्चार्ज सायकलिंगसह, कॅथोड कणांमध्ये क्रॅक तयार झाल्यामुळे कामगिरी वेगाने कमी होते. गेल्या अनेक दशकांपासून, बॅटरी संशोधक या क्रॅक दुरुस्त करण्याचे मार्ग शोधत आहेत.
पूर्वीच्या काळात एका पद्धतीत अनेक लहान कणांनी बनलेले लहान गोलाकार कण वापरले जात होते. मोठे गोलाकार कण पॉलीक्रिस्टलाइन असतात, ज्यांचे विविध दिशानिर्देशांचे स्फटिकीय डोमेन असतात. परिणामी, त्यांच्या कणांमध्ये शास्त्रज्ञ म्हणतात त्याप्रमाणे धान्याच्या सीमा असतात, ज्यामुळे सायकल दरम्यान बॅटरी क्रॅक होऊ शकते. हे टाळण्यासाठी, झू आणि अर्गोनच्या सहकाऱ्यांनी पूर्वी प्रत्येक कणाभोवती एक संरक्षक पॉलिमर कोटिंग विकसित केले होते. हे कोटिंग मोठे गोलाकार कण आणि त्यांच्यातील लहान कणांना वेढते.
या प्रकारच्या क्रॅकिंगपासून बचाव करण्याचा आणखी एक मार्ग म्हणजे सिंगल क्रिस्टल कणांचा वापर करणे. या कणांच्या इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीने दाखवून दिले की त्यांना कोणत्याही सीमा नाहीत.
टीमसाठी समस्या अशी होती की कोटेड पॉलीक्रिस्टल्स आणि सिंगल क्रिस्टल्सपासून बनवलेले कॅथोड सायकलिंग दरम्यान अजूनही क्रॅक होतात. म्हणून, त्यांनी यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जीच्या आर्गोन सायन्स सेंटरमधील अॅडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) आणि सेंटर फॉर नॅनोमटेरियल्स (सीएनएम) येथे या कॅथोड मटेरियलचे विस्तृत विश्लेषण केले.
पाच APS आर्म्सवर (११-BM, २०-BM, २-ID-D, ११-ID-C आणि ३४-ID-E) विविध एक्स-रे विश्लेषणे करण्यात आली. असे दिसून आले की इलेक्ट्रॉन आणि एक्स-रे मायक्रोस्कोपीने दाखवल्याप्रमाणे, शास्त्रज्ञांना एकच क्रिस्टल वाटले होते, त्याला प्रत्यक्षात आत एक सीमा होती. CNM च्या स्कॅनिंग आणि ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीने या निष्कर्षाची पुष्टी केली.
"जेव्हा आम्ही या कणांच्या पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानाकडे पाहिले तेव्हा ते एकल स्फटिकांसारखे दिसत होते," भौतिकशास्त्रज्ञ वेनजुन लिऊ म्हणाले. 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 技术 和咶发现 边界 隐藏 在.”"तथापि, जेव्हा आम्ही एपीएसमध्ये सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे डिफ्रॅक्शन मायक्रोस्कोपी नावाची तंत्रे आणि इतर तंत्रे वापरली तेव्हा आम्हाला आढळले की सीमा आत लपलेल्या आहेत."
महत्त्वाचे म्हणजे, टीमने सीमांशिवाय सिंगल क्रिस्टल्स तयार करण्याची पद्धत विकसित केली आहे. या सिंगल-क्रिस्टल कॅथोडसह लहान पेशींची अतिशय उच्च व्होल्टेजवर चाचणी केल्याने प्रति युनिट व्हॉल्यूम ऊर्जा साठवणुकीत २५% वाढ दिसून आली आणि १०० चाचणी चक्रांमध्ये कामगिरीत जवळजवळ कोणताही तोटा झाला नाही. याउलट, मल्टी-इंटरफेस सिंगल क्रिस्टल्स किंवा कोटेड पॉलीक्रिस्टल्सने बनलेल्या NMC कॅथोड्समध्ये त्याच आयुष्यभर क्षमता ६०% ते ८८% पर्यंत कमी दिसून आली.
अणु स्केल गणना कॅथोड कॅपेसिटन्स कमी करण्याची यंत्रणा उघड करते. सीएनएममधील नॅनोसायंटिस्ट मारिया चांग यांच्या मते, बॅटरी चार्ज केल्यावर सीमांपासून दूर असलेल्या भागांपेक्षा ऑक्सिजन अणू गमावण्याची शक्यता जास्त असते. ऑक्सिजनच्या या नुकसानामुळे पेशी चक्राचा ऱ्हास होतो.
"आमच्या गणितांवरून असे दिसून येते की सीमारेषेमुळे उच्च दाबाने ऑक्सिजन कसा सोडला जाऊ शकतो, ज्यामुळे कामगिरी कमी होऊ शकते," चॅन म्हणाले.
सीमा काढून टाकल्याने ऑक्सिजन उत्क्रांती रोखली जाते, ज्यामुळे कॅथोडची सुरक्षितता आणि चक्रीय स्थिरता सुधारते. अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या लॉरेन्स बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाळेतील एपीएस आणि प्रगत प्रकाश स्रोतासह ऑक्सिजन उत्क्रांती मोजमाप या निष्कर्षाची पुष्टी करतात.
"आता आमच्याकडे अशी मार्गदर्शक तत्त्वे आहेत ज्यांचा वापर करून बॅटरी उत्पादक कॅथोड मटेरियल बनवू शकतात ज्यांना कोणत्याही सीमा नाहीत आणि उच्च दाबाने काम करतात," असे अर्गोन फेलो एमेरिटस खलील अमीन म्हणाले. 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.”"एनएमसी व्यतिरिक्त इतर कॅथोड मटेरियलना मार्गदर्शक तत्वे लागू झाली पाहिजेत."
या अभ्यासाबद्दलचा एक लेख जर्नल नेचर एनर्जीमध्ये प्रकाशित झाला. झू, अमीन, लिऊ आणि चांग यांच्या व्यतिरिक्त, अर्गोनचे लेखक शियांग लिऊ, वेंकट सूर्य चैतन्य कोल्लुरू, चेन झाओ, झिनवेई झोउ, युझी लिऊ, लिआंग यिंग, अमीन दाली, यांग रेन, वेनकियान झू, जंजिंग डेंग, इनहुई ह्वांग, म्युनग, त्युंग, त्युंग, त्यांग, त्यांग, त्यांग, त्यांग, त्यांग, . लॉरेन्स बर्कले नॅशनल लॅबोरेटरी (वानली यांग, क्विंगटियान ली, आणि झेंगक्विंग झुओ), झियामेन युनिव्हर्सिटी (जिंग-जिंग फॅन, लिंग हुआंग आणि शि-गँग सन) आणि त्सिंघुआ युनिव्हर्सिटी (डोंगशेंग रेन, झुनिंग फेंग आणि मिंगाओ ओउयांग) चे शास्त्रज्ञ.
आर्गोन सेंटर फॉर नॅनोमटेरियल्स बद्दल अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या पाच नॅनोटेक्नॉलॉजी संशोधन केंद्रांपैकी एक असलेले सेंटर फॉर नॅनोमटेरियल्स ही अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या विज्ञान कार्यालयाद्वारे समर्थित आंतरविद्याशाखीय नॅनोस्केल संशोधनासाठी एक प्रमुख राष्ट्रीय वापरकर्ता संस्था आहे. एकत्रितपणे, NSRC पूरक सुविधांचा एक संच तयार करतात जे संशोधकांना नॅनोस्केल सामग्री तयार करण्यासाठी, प्रक्रिया करण्यासाठी, वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी आणि मॉडेलिंगसाठी अत्याधुनिक क्षमता प्रदान करतात आणि राष्ट्रीय नॅनोटेक्नॉलॉजी इनिशिएटिव्ह अंतर्गत सर्वात मोठ्या पायाभूत सुविधा गुंतवणूकीचे प्रतिनिधित्व करतात. NSRC हे आर्गोन, ब्रुकहेवन, लॉरेन्स बर्कले, ओक रिज, सँडिया आणि लॉस अलामोस येथील यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी नॅशनल लॅबोरेटरीजमध्ये स्थित आहे. NSRC DOE बद्दल अधिक माहितीसाठी, 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 ला भेट द्या.
अर्गोन नॅशनल लॅबोरेटरी येथील यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जीचा अॅडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) हा जगातील सर्वात उत्पादक एक्स-रे स्रोतांपैकी एक आहे. एपीएस मटेरियल सायन्स, केमिस्ट्री, कंडेन्स्ड मॅटर फिजिक्स, लाईफ आणि एन्व्हायर्नमेंटल सायन्सेस आणि उपयोजित संशोधनातील विविध संशोधन समुदायाला उच्च-तीव्रतेचे एक्स-रे प्रदान करते. हे एक्स-रे मटेरियल आणि जैविक संरचना, घटकांचे वितरण, रासायनिक, चुंबकीय आणि इलेक्ट्रॉनिक अवस्था आणि बॅटरीपासून इंधन इंजेक्टर नोझल्सपर्यंत सर्व प्रकारच्या तांत्रिकदृष्ट्या महत्त्वाच्या अभियांत्रिकी प्रणालींचा अभ्यास करण्यासाठी आदर्श आहेत, जे आपल्या राष्ट्रीय अर्थव्यवस्थेसाठी, तंत्रज्ञानासाठी आणि शरीराच्या आरोग्यासाठी महत्त्वाचे आहेत. दरवर्षी, ५,००० हून अधिक संशोधक एपीएसचा वापर करून महत्त्वाच्या शोधांचे तपशील देणारी आणि इतर कोणत्याही एक्स-रे संशोधन केंद्राच्या वापरकर्त्यांपेक्षा अधिक महत्त्वाच्या जैविक प्रथिन संरचना सोडवणारी २००० हून अधिक प्रकाशने प्रकाशित करतात. एपीएस शास्त्रज्ञ आणि अभियंते नाविन्यपूर्ण तंत्रज्ञानाची अंमलबजावणी करत आहेत जे प्रवेगक आणि प्रकाश स्रोतांच्या कामगिरी सुधारण्यासाठी आधार आहेत. यामध्ये संशोधकांनी मौल्यवान मानलेले अत्यंत तेजस्वी एक्स-रे तयार करणारी इनपुट उपकरणे, काही नॅनोमीटरपर्यंत एक्स-रे फोकस करणारे लेन्स, अभ्यासाधीन नमुन्याशी एक्स-रे कसे संवाद साधतात याची जास्तीत जास्त माहिती देणारी उपकरणे आणि एपीएस शोधांचे संकलन आणि व्यवस्थापन यांचा समावेश आहे. संशोधनातून प्रचंड डेटा व्हॉल्यूम निर्माण होतो.
या अभ्यासात अॅडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स, यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफिस ऑफ सायन्स युजर सेंटर, जे अर्गोन नॅशनल लॅबोरेटरी द्वारे यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफिस ऑफ सायन्ससाठी कॉन्ट्रॅक्ट क्रमांक DE-AC02-06CH11357 अंतर्गत चालवले जाते, मधील संसाधनांचा वापर केला गेला.
अर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाळा देशांतर्गत विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या गंभीर समस्या सोडवण्यासाठी प्रयत्नशील आहे. युनायटेड स्टेट्समधील पहिली राष्ट्रीय प्रयोगशाळा म्हणून, अर्गोन जवळजवळ प्रत्येक वैज्ञानिक शाखेत अत्याधुनिक मूलभूत आणि उपयोजित संशोधन करते. अर्गोन संशोधक शेकडो कंपन्या, विद्यापीठे आणि संघीय, राज्य आणि महानगरपालिका एजन्सींमधील संशोधकांशी जवळून काम करतात जेणेकरून त्यांना विशिष्ट समस्या सोडवता येतील, अमेरिकन वैज्ञानिक नेतृत्वाला चालना मिळेल आणि राष्ट्राला चांगल्या भविष्यासाठी तयार करता येईल. अर्गोनमध्ये ६० हून अधिक देशांतील कर्मचारी कार्यरत आहेत आणि ते यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जीच्या ऑफिस ऑफ सायन्सच्या यूशिकागो अर्गोन, एलएलसी द्वारे चालवले जाते.
अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाचे विज्ञान कार्यालय हे भौतिक विज्ञानातील मूलभूत संशोधनाचे देशातील सर्वात मोठे समर्थक आहे, जे आपल्या काळातील काही सर्वात महत्त्वाच्या समस्यांना तोंड देण्यासाठी काम करते. अधिक माहितीसाठी, https://​energy​.gov/​science​ience ला भेट द्या.