अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या (DOE) आर्गॉन राष्ट्रीय प्रयोगशाळेतील संशोधकांचा लिथियम-आयन बॅटरीच्या क्षेत्रात अग्रगण्य शोधांचा मोठा इतिहास आहे. यापैकी बरेचसे शोध बॅटरीच्या कॅथोडशी संबंधित आहेत, ज्याला एनएमसी (NMC), म्हणजेच निकेल मॅंगनीज आणि कोबाल्ट ऑक्साईड, असे म्हणतात. याच कॅथोडची बॅटरी आता शेवरले बोल्टला ऊर्जा पुरवते.
आर्गॉनच्या संशोधकांनी एनएमसी कॅथोडच्या क्षेत्रात आणखी एक महत्त्वपूर्ण यश मिळवले आहे. या टीमने विकसित केलेली कॅथोड कणांची नवीन सूक्ष्म रचना बॅटरीला अधिक टिकाऊ आणि सुरक्षित बनवू शकते, ज्यामुळे ती अतिउच्च व्होल्टेजवर काम करू शकेल आणि अधिक लांब पल्ल्याचा प्रवास करू शकेल.
“आता आमच्याकडे असे मार्गदर्शन आहे, ज्याचा वापर बॅटरी उत्पादक उच्च-दाब, सीमाविरहित कॅथोड सामग्री बनवण्यासाठी करू शकतात,” खलील अमीन, आर्गॉन फेलो एमेरिटस.
"सध्याचे NMC कॅथोड उच्च व्होल्टेजच्या कामासाठी एक मोठा अडथळा ठरतात," असे सहायक रसायनशास्त्रज्ञ गुइलियंग शू म्हणाले. चार्ज-डिस्चार्ज सायकलिंगमुळे, कॅथोडच्या कणांमध्ये तडे गेल्याने कार्यक्षमता झपाट्याने कमी होते. अनेक दशकांपासून, बॅटरी संशोधक हे तडे दुरुस्त करण्याचे मार्ग शोधत आहेत.
पूर्वीच्या एका पद्धतीत, अनेक लहान कणांपासून बनलेले सूक्ष्म गोलाकार कण वापरले जात असत. मोठे गोलाकार कण बहुस्फटिकी (polycrystalline) असतात, ज्यात विविध दिशांचे स्फटिकी क्षेत्र (crystalline domains) असतात. परिणामी, त्यांच्या कणांमध्ये शास्त्रज्ञ ज्याला 'ग्रेन बाउंड्री' (grain boundaries) म्हणतात, तशी रचना तयार होते, ज्यामुळे एका चक्रादरम्यान बॅटरीला तडा जाऊ शकतो. हे टाळण्यासाठी, शू आणि आर्गॉन यांच्या सहकाऱ्यांनी पूर्वी प्रत्येक कणाभोवती एक संरक्षक पॉलिमर आवरण विकसित केले होते. हे आवरण मोठ्या गोलाकार कणांना आणि त्यांच्यातील लहान कणांना वेढते.
या प्रकारची भेगा पडणे टाळण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे एकल स्फटिक कणांचा वापर करणे. या कणांच्या इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमध्ये असे दिसून आले की त्यांना सीमा नसतात.
संघापुढील समस्या ही होती की, लेपित बहुस्फटिक आणि एकलस्फटिकांपासून बनवलेले कॅथोड सायकलिंग दरम्यान तडकत होते. त्यामुळे, त्यांनी अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या आर्गॉन विज्ञान केंद्रातील ॲडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स (APS) आणि सेंटर फॉर नॅनोमटेरियल्स (CNM) येथे या कॅथोड सामग्रीचे सखोल विश्लेषण केले.
पाच एपीएस भुजांवर (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C आणि 34-ID-E) विविध एक्स-रे विश्लेषणे करण्यात आली. इलेक्ट्रॉन आणि एक्स-रे मायक्रोस्कोपीद्वारे शास्त्रज्ञांना जो एकच स्फटिक वाटत होता, त्याच्या आत प्रत्यक्षात एक सीमा असल्याचे दिसून आले. सीएनएमच्या स्कॅनिंग आणि ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीने या निष्कर्षाची पुष्टी केली.
"जेव्हा आम्ही या कणांच्या पृष्ठभागाच्या रचनेचे निरीक्षण केले, तेव्हा ते एकल स्फटिकांसारखे दिसले," असे 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.”मात्र, जेव्हा आम्ही एपीएसमध्ये सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे डिफ्रेक्शन मायक्रोस्कोपी आणि इतर तंत्रे वापरली, तेव्हा आम्हाला आढळले की त्या सीमा आत लपलेल्या होत्या.
महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे, या संघाने सीमांशिवाय एकल स्फटिक तयार करण्याची एक पद्धत विकसित केली आहे. या एकल-स्फटिक कॅथोडसह लहान सेलची अतिउच्च व्होल्टेजवर चाचणी केल्यावर असे दिसून आले की, १०० चाचणी चक्रांमध्ये कार्यक्षमतेत अक्षरशः कोणतीही घट न होता, प्रति एकक आकारमान ऊर्जा साठवणुकीत २५% वाढ झाली. याउलट, बहु-इंटरफेस एकल स्फटिक किंवा लेपित बहुस्फटिकांपासून बनलेल्या NMC कॅथोडच्या क्षमतेत त्याच जीवनकाळात ६०% ते ८८% पर्यंत घट दिसून आली.
अणू-स्तरीय गणनेतून कॅथोड धारकता कमी होण्याची यंत्रणा उघड होते. सीएनएम (CNM) येथील नॅनोवैज्ञानिक मारिया चांग यांच्या मते, बॅटरी चार्ज होत असताना, दूरच्या भागांपेक्षा सीमांमधून ऑक्सिजन अणू गमावण्याची शक्यता जास्त असते. ऑक्सिजनच्या या नुकसानीमुळे सेल सायकलची कार्यक्षमता कमी होते.
"आमच्या गणनेनुसार, त्या सीमेमुळे उच्च दाबाने ऑक्सिजन बाहेर पडू शकतो, ज्यामुळे कार्यक्षमता कमी होऊ शकते," असे चॅन म्हणाले.
सीमा काढून टाकल्याने ऑक्सिजन उत्सर्जनास प्रतिबंध होतो, त्यामुळे कॅथोडची सुरक्षितता आणि चक्रीय स्थिरता सुधारते. यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जीच्या लॉरेन्स बर्कले नॅशनल लॅबोरेटरीमध्ये एपीएस (APS) आणि एका प्रगत प्रकाश स्रोताद्वारे केलेल्या ऑक्सिजन उत्सर्जनाच्या मोजमापांनी या निष्कर्षाची पुष्टी केली आहे.
"आता आमच्याकडे अशी मार्गदर्शक तत्त्वे आहेत, ज्यांचा वापर करून बॅटरी उत्पादक कोणत्याही मर्यादा नसलेले आणि उच्च दाबावर काम करणारे कॅथोड मटेरियल बनवू शकतात," असे आर्गॉन 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.”मार्गदर्शक तत्त्वे NMC व्यतिरिक्त इतर कॅथोड सामग्रींना लागू असावीत.
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.
आर्गॉन नॅनोमटेरियल्स केंद्राबद्दल: नॅनोमटेरियल्स केंद्र, जे यूएस ऊर्जा विभागाच्या पाच नॅनोटेक्नॉलॉजी संशोधन केंद्रांपैकी एक आहे, ही यूएस ऊर्जा विभागाच्या विज्ञान कार्यालयाद्वारे समर्थित आंतरविद्याशाखीय नॅनोस्केल संशोधनासाठीची प्रमुख राष्ट्रीय वापरकर्ता संस्था आहे. एकत्रितपणे, एनएसआरसी (NSRCs) पूरक सुविधांचा एक संच तयार करतात, जो संशोधकांना नॅनोस्केल सामग्रीचे उत्पादन, प्रक्रिया, वैशिष्ट्यीकरण आणि मॉडेलिंग करण्यासाठी अत्याधुनिक क्षमता प्रदान करतो आणि राष्ट्रीय नॅनोटेक्नॉलॉजी उपक्रमांतर्गत सर्वात मोठी पायाभूत गुंतवणूक दर्शवतो. एनएसआरसी हे आर्गॉन, ब्रुकहेवन, लॉरेन्स बर्कले, ओक रिज, सँडिया आणि लॉस अॅलॅमॉस येथील यूएस ऊर्जा विभागाच्या राष्ट्रीय प्रयोगशाळांमध्ये स्थित आहे. NSRC DOE बद्दल अधिक माहितीसाठी, https://science.osti.gov/User-Facililit/User-Facililitie-ie-ies-at-aGlance ला भेट द्या.
अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाचे आर्गॉन राष्ट्रीय प्रयोगशाळेतील ॲडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स (APS) हे जगातील सर्वात उत्पादक एक्स-रे स्रोतांपैकी एक आहे. APS हे पदार्थ विज्ञान, रसायनशास्त्र, संघनित पदार्थ भौतिकशास्त्र, जीवन आणि पर्यावरण विज्ञान, आणि उपयोजित संशोधन यांसारख्या विविध क्षेत्रांतील संशोधक समुदायाला उच्च-तीव्रतेचे एक्स-रे पुरवते. हे एक्स-रे पदार्थ आणि जैविक संरचना, मूलद्रव्यांचे वितरण, रासायनिक, चुंबकीय आणि इलेक्ट्रॉनिक अवस्था, आणि बॅटरीपासून ते इंधन इंजेक्टर नोझलपर्यंत सर्व प्रकारच्या तांत्रिकदृष्ट्या महत्त्वाच्या अभियांत्रिकी प्रणालींचा अभ्यास करण्यासाठी आदर्श आहेत, ज्या आपल्या राष्ट्रीय अर्थव्यवस्थेसाठी, तंत्रज्ञानासाठी आणि शारीरिक आरोग्याचा आधार आहेत. दरवर्षी, ५,००० हून अधिक संशोधक APS चा वापर करून २,००० हून अधिक प्रकाशने प्रकाशित करतात, ज्यात महत्त्वाच्या शोधांचे तपशील असतात आणि इतर कोणत्याही एक्स-रे संशोधन केंद्राच्या वापरकर्त्यांपेक्षा अधिक महत्त्वाच्या जैविक प्रथिन संरचनांचे कोडे सोडवले जाते. APS चे शास्त्रज्ञ आणि अभियंते नाविन्यपूर्ण तंत्रज्ञान राबवत आहेत, जे प्रवेगक (ॲक्सिलरेटर) आणि प्रकाश स्रोतांची कार्यक्षमता सुधारण्याचा आधार आहे. यामध्ये संशोधकांना अत्यंत प्रिय असलेले, अत्यंत तेजस्वी एक्स-रे निर्माण करणारी इनपुट उपकरणे, एक्स-रे काही नॅनोमीटरपर्यंत केंद्रित करणारी भिंगे, अभ्यासाधीन नमुन्यासोबत एक्स-रेची आंतरक्रिया जास्तीत जास्त प्रभावी करणारी उपकरणे आणि एपीएसच्या शोधांचे संकलन व व्यवस्थापन यांचा समावेश आहे. संशोधनामुळे प्रचंड प्रमाणात डेटा निर्माण होतो.
या अभ्यासात ॲडव्हान्स्ड फोटॉन सोर्स येथील संसाधनांचा वापर करण्यात आला, जे यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफिस ऑफ सायन्सचे एक वापरकर्ता केंद्र आहे आणि आर्गॉन नॅशनल लॅबोरेटरीद्वारे यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफिस ऑफ सायन्ससाठी करार क्रमांक DE-AC02-06CH11357 अंतर्गत चालवले जाते.
आर्गॉन राष्ट्रीय प्रयोगशाळा देशांतर्गत विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या गंभीर समस्या सोडवण्यासाठी प्रयत्नशील आहे. अमेरिकेतील पहिली राष्ट्रीय प्रयोगशाळा म्हणून, आर्गॉन अक्षरशः प्रत्येक वैज्ञानिक शाखेत अत्याधुनिक मूलभूत आणि उपयोजित संशोधन करते. आर्गॉनचे संशोधक शेकडो कंपन्या, विद्यापीठे आणि संघीय, राज्य व नगरपालिका संस्थांमधील संशोधकांसोबत मिळून काम करतात, जेणेकरून त्यांना विशिष्ट समस्या सोडवण्यासाठी, अमेरिकेचे वैज्ञानिक नेतृत्व पुढे नेण्यासाठी आणि देशाला एका चांगल्या भविष्यासाठी तयार करण्यासाठी मदत करता येईल. आर्गॉनमध्ये ६० हून अधिक देशांतील कर्मचारी कार्यरत आहेत आणि ही प्रयोगशाळा अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या विज्ञान कार्यालयाच्या 'यूशिकागो आर्गॉन, एलएलसी' (UChicago Argonne, LLC) द्वारे चालवली जाते.
अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाचे विज्ञान कार्यालय हे भौतिक विज्ञानातील मूलभूत संशोधनाचे देशातील सर्वात मोठे समर्थक असून, ते आपल्या काळातील काही अत्यंत महत्त्वाच्या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी कार्यरत आहे. अधिक माहितीसाठी, https://energy.gov/science या संकेतस्थळाला भेट द्या.