US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ (DOE) ఆర్గోన్నే నేషనల్ లాబొరేటరీ పరిశోధకులు లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీల రంగంలో మార్గదర్శక ఆవిష్కరణల సుదీర్ఘ చరిత్రను కలిగి ఉన్నారు. వీటిలో చాలా ఫలితాలు బ్యాటరీ కాథోడ్‌కు సంబంధించినవి, వీటిని NMC, నికెల్ మాంగనీస్ మరియు కోబాల్ట్ ఆక్సైడ్ అని పిలుస్తారు. ఈ కాథోడ్‌తో కూడిన బ్యాటరీ ఇప్పుడు చేవ్రొలెట్ బోల్ట్‌కు శక్తినిస్తుంది.
ఆర్గోనే పరిశోధకులు NMC కాథోడ్‌లలో మరో పురోగతిని సాధించారు. బృందం యొక్క కొత్త చిన్న క్యాథోడ్ కణ నిర్మాణం బ్యాటరీని మరింత మన్నికైనదిగా మరియు సురక్షితమైనదిగా చేస్తుంది, అధిక వోల్టేజీల వద్ద పనిచేయగలదు మరియు ఎక్కువ ప్రయాణ శ్రేణులను అందిస్తుంది.
"అధిక పీడనం, సరిహద్దులు లేని కాథోడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి బ్యాటరీ తయారీదారులు ఉపయోగించగల మార్గదర్శకత్వం మాకు ఇప్పుడు ఉంది," ఖలీల్ అమీన్, అర్గోన్ ఫెలో ఎమెరిటస్.
"ప్రస్తుతం ఉన్న NMC కాథోడ్‌లు అధిక వోల్టేజ్ పనికి ప్రధాన అడ్డంకిగా ఉన్నాయి" అని అసిస్టెంట్ కెమిస్ట్ గులియాంగ్ జు చెప్పారు. ఛార్జ్-డిచ్ఛార్జ్ సైక్లింగ్తో, క్యాథోడ్ కణాలలో పగుళ్లు ఏర్పడటం వలన పనితీరు వేగంగా పడిపోతుంది. దశాబ్దాలుగా, బ్యాటరీ పరిశోధకులు ఈ పగుళ్లను సరిచేయడానికి మార్గాలను అన్వేషిస్తున్నారు.
గతంలో ఒక పద్ధతి చాలా చిన్న కణాలతో కూడిన చిన్న గోళాకార కణాలను ఉపయోగించింది. వివిధ ధోరణుల స్ఫటికాకార డొమైన్‌లతో పెద్ద గోళాకార కణాలు పాలీక్రిస్టలైన్‌గా ఉంటాయి. తత్ఫలితంగా, శాస్త్రవేత్తలు కణాల మధ్య ధాన్యపు సరిహద్దులుగా పిలిచే వాటిని కలిగి ఉంటారు, ఇది చక్రంలో బ్యాటరీని పగులగొట్టడానికి కారణమవుతుంది. దీనిని నివారించడానికి, జు మరియు అర్గోన్ యొక్క సహచరులు గతంలో ప్రతి కణం చుట్టూ రక్షిత పాలిమర్ పూతను అభివృద్ధి చేశారు. ఈ పూత పెద్ద గోళాకార కణాలను మరియు వాటిలోని చిన్న కణాలను చుట్టుముడుతుంది.
ఈ రకమైన పగుళ్లను నివారించడానికి మరొక మార్గం సింగిల్ క్రిస్టల్ కణాలను ఉపయోగించడం. ఈ కణాల యొక్క ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ వాటికి సరిహద్దులు లేవని చూపించింది.
జట్టుకు సమస్య ఏమిటంటే, సైక్లింగ్ సమయంలో పూత పూసిన పాలీక్రిస్టల్స్ మరియు సింగిల్ స్ఫటికాలతో తయారు చేయబడిన కాథోడ్‌లు ఇప్పటికీ పగుళ్లు ఏర్పడుతున్నాయి. అందువల్ల, వారు US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ యొక్క ఆర్గోన్నే సైన్స్ సెంటర్‌లోని అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ (APS) మరియు సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్ (CNM) వద్ద ఈ కాథోడ్ మెటీరియల్‌ల యొక్క విస్తృతమైన విశ్లేషణను నిర్వహించారు.
ఐదు APS చేతులపై (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C మరియు 34-ID-E) వివిధ ఎక్స్-రే విశ్లేషణలు జరిగాయి. ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఎక్స్-రే మైక్రోస్కోపీ ద్వారా చూపబడినట్లుగా, శాస్త్రవేత్తలు ఒకే క్రిస్టల్ అని భావించారు, వాస్తవానికి లోపల సరిహద్దు ఉందని తేలింది. CNMల స్కానింగ్ మరియు ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ఈ తీర్మానాన్ని నిర్ధారించింది.
"మేము ఈ కణాల ఉపరితల స్వరూపాన్ని చూసినప్పుడు, అవి ఒకే స్ఫటికాల వలె కనిపించాయి" అని భౌతిక శాస్త్రవేత్త వెంజున్ లియు చెప్పారు. 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圯和现边界隐藏在内部。” ââ <“మీరు , 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显廮镜 的 技是发现 边界 隐藏 在。”"అయితే, మేము APS వద్ద సింక్రోట్రోన్ ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ మైక్రోస్కోపీ మరియు ఇతర టెక్నిక్‌లు అనే సాంకేతికతను ఉపయోగించినప్పుడు, సరిహద్దులు లోపల దాగి ఉన్నాయని మేము కనుగొన్నాము."
ముఖ్యంగా, సరిహద్దులు లేకుండా ఒకే స్ఫటికాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి బృందం ఒక పద్ధతిని అభివృద్ధి చేసింది. ఈ సింగిల్-క్రిస్టల్ కాథోడ్‌తో చాలా ఎక్కువ వోల్టేజ్‌ల వద్ద చిన్న కణాలను పరీక్షించడం ద్వారా యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు శక్తి నిల్వలో 25% పెరుగుదల కనిపించింది, 100 టెస్ట్ సైకిళ్లకు పైగా పనితీరులో వాస్తవంగా నష్టం లేదు. దీనికి విరుద్ధంగా, బహుళ-ఇంటర్‌ఫేస్ సింగిల్ క్రిస్టల్స్ లేదా కోటెడ్ పాలీక్రిస్టల్స్‌తో కూడిన NMC కాథోడ్‌లు అదే జీవితకాలంలో 60% నుండి 88% వరకు సామర్థ్యం తగ్గుదలని చూపించాయి.
అటామిక్ స్కేల్ లెక్కలు కాథోడ్ కెపాసిటెన్స్ తగ్గింపు యొక్క యంత్రాంగాన్ని వెల్లడిస్తాయి. CNMలో నానో సైంటిస్ట్ అయిన మరియా చాంగ్ ప్రకారం, సరిహద్దులు వాటికి దూరంగా ఉన్న ప్రాంతాల కంటే బ్యాటరీని ఛార్జ్ చేసినప్పుడు ఆక్సిజన్ అణువులను కోల్పోయే అవకాశం ఉంది. ఆక్సిజన్ యొక్క ఈ నష్టం కణ చక్రం యొక్క క్షీణతకు దారితీస్తుంది.
"అధిక పీడనం వద్ద ఆక్సిజన్ విడుదల చేయడానికి సరిహద్దు ఎలా దారితీస్తుందో మా లెక్కలు చూపుతాయి, ఇది పనితీరు తగ్గడానికి దారితీస్తుంది" అని చాన్ చెప్పారు.
సరిహద్దును తొలగించడం ఆక్సిజన్ పరిణామాన్ని నిరోధిస్తుంది, తద్వారా కాథోడ్ యొక్క భద్రత మరియు చక్రీయ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది. APSతో ఆక్సిజన్ పరిణామ కొలతలు మరియు US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ యొక్క లారెన్స్ బర్కిలీ నేషనల్ లాబొరేటరీలో అధునాతన కాంతి మూలం ఈ తీర్మానాన్ని నిర్ధారించాయి.
"హద్దులు లేని మరియు అధిక పీడనంతో పనిచేసే క్యాథోడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి బ్యాటరీ తయారీదారులు ఉపయోగించగల మార్గదర్శకాలు ఇప్పుడు మా వద్ద ఉన్నాయి" అని అర్గోన్ ఫెలో ఎమెరిటస్ ఖలీల్ అమిన్ అన్నారు. 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。”"మార్గదర్శకాలు NMC కాకుండా ఇతర కాథోడ్ పదార్థాలకు వర్తిస్తాయి."
ఈ అధ్యయనం గురించిన కథనం నేచర్ ఎనర్జీ జర్నల్‌లో ప్రచురించబడింది. జు, అమిన్, లియు మరియు చాంగ్‌లతో పాటు, ఆర్గోనే రచయితలు జియాంగ్ లియు, వెంకట సూర్య చైతన్య కొల్లూరు, చెన్ జావో, జిన్‌వీ జౌ, యుజి లియు, లియాంగ్ యింగ్, అమిన్ డాలీ, యాంగ్ రెన్, వెంకియాన్ జు , జుంజింగ్ డెంగ్, ఇన్‌హుయ్ హ్వాంగ్, చెంగ్జున్ సన్, టావో జౌ, మింగ్ డు మరియు జోంఘై చెన్. లారెన్స్ బర్కిలీ నేషనల్ లాబొరేటరీ (వాన్లీ యాంగ్, క్వింగ్టియన్ లి మరియు జెంగ్కింగ్ జువో), జియామెన్ విశ్వవిద్యాలయం (జింగ్-జింగ్ ఫ్యాన్, లింగ్ హువాంగ్ మరియు షి-గ్యాంగ్ సన్) మరియు సింఘువా విశ్వవిద్యాలయం (డాంగ్‌షెంగ్ రెన్, జునింగ్ ఫెంగ్ మరియు మింగావో ఓయాంగ్) శాస్త్రవేత్తలు.
ఆర్గోన్నే సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్ గురించి ఐదు US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ నానోటెక్నాలజీ పరిశోధనా కేంద్రాలలో ఒకటైన సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్, US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ ద్వారా మద్దతిచ్చే ఇంటర్ డిసిప్లినరీ నానోస్కేల్ రీసెర్చ్‌కు ప్రధాన జాతీయ వినియోగదారు సంస్థ. కలిసి, NSRCలు పరిశోధకులకు నానోస్కేల్ మెటీరియల్స్ తయారీ, ప్రాసెసింగ్, క్యారెక్టరైజింగ్ మరియు మోడలింగ్ కోసం అత్యాధునిక సామర్థ్యాలను అందించే పరిపూరకరమైన సౌకర్యాల సూట్‌ను ఏర్పరుస్తాయి మరియు నేషనల్ నానోటెక్నాలజీ ఇనిషియేటివ్ కింద అతిపెద్ద మౌలిక సదుపాయాల పెట్టుబడిని సూచిస్తాయి. NSRC అర్గోన్నే, బ్రూక్‌హావెన్, లారెన్స్ బర్కిలీ, ఓక్ రిడ్జ్, శాండియా మరియు లాస్ అలమోస్‌లోని US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ నేషనల్ లాబొరేటరీస్‌లో ఉంది. NSRC DOE గురించి మరింత సమాచారం కోసం, https://science.osti.gov/User-Facilit ies/ Usని సందర్శించండి ఎర్-ఫాసిలిటీస్-ఎట్-గ్లాన్స్.
ఆర్గోన్ నేషనల్ లాబొరేటరీలోని US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ (APS) ప్రపంచంలోని అత్యంత ఉత్పాదక ఎక్స్-రే మూలాలలో ఒకటి. మెటీరియల్ సైన్స్, కెమిస్ట్రీ, కండెన్స్డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్, లైఫ్ మరియు ఎన్విరాన్‌మెంటల్ సైన్సెస్ మరియు అప్లైడ్ రీసెర్చ్‌లలో విభిన్న పరిశోధనా సంఘానికి APS అధిక-తీవ్రత కలిగిన X-కిరణాలను అందిస్తుంది. ఈ X-కిరణాలు పదార్థాలు మరియు జీవ నిర్మాణాలు, మూలకాల పంపిణీ, రసాయన, అయస్కాంత మరియు ఎలక్ట్రానిక్ స్థితులు మరియు అన్ని రకాల సాంకేతికంగా ముఖ్యమైన ఇంజనీరింగ్ వ్యవస్థలు, బ్యాటరీల నుండి ఇంధన ఇంజెక్టర్ నాజిల్‌ల వరకు మన జాతీయ ఆర్థిక వ్యవస్థకు, సాంకేతికతకు ముఖ్యమైనవి. . మరియు శరీరం ఆరోగ్యానికి ఆధారం. ప్రతి సంవత్సరం, 5,000 కంటే ఎక్కువ మంది పరిశోధకులు 2,000 కంటే ఎక్కువ ప్రచురణలను ప్రచురించడానికి APSని ఉపయోగిస్తున్నారు, ముఖ్యమైన ఆవిష్కరణలను వివరిస్తారు మరియు ఇతర X-రే పరిశోధనా కేంద్రం యొక్క వినియోగదారుల కంటే ముఖ్యమైన జీవసంబంధమైన ప్రోటీన్ నిర్మాణాలను పరిష్కరించారు. APS శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్లు యాక్సిలరేటర్లు మరియు కాంతి వనరుల పనితీరును మెరుగుపరచడానికి ఆధారమైన వినూత్న సాంకేతికతలను అమలు చేస్తున్నారు. పరిశోధకులు విలువైన అత్యంత ప్రకాశవంతమైన X-కిరణాలను ఉత్పత్తి చేసే ఇన్‌పుట్ పరికరాలు, కొన్ని నానోమీటర్‌ల వరకు X-కిరణాలను కేంద్రీకరించే లెన్స్‌లు, అధ్యయనంలో ఉన్న నమూనాతో X-కిరణాలు పరస్పర చర్య చేసే విధానాన్ని పెంచే సాధనాలు మరియు APS ఆవిష్కరణల సేకరణ మరియు నిర్వహణ వంటివి ఇందులో ఉన్నాయి. పరిశోధన భారీ డేటా వాల్యూమ్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
ఈ అధ్యయనం అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ నుండి వనరులను ఉపయోగించుకుంది, ఇది US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ యూజర్ సెంటర్‌ని ఆర్గోన్నే నేషనల్ లాబొరేటరీ ద్వారా US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ కోసం కాంట్రాక్ట్ నంబర్ DE-AC02-06CH11357 కింద నిర్వహించబడుతుంది.
Argonne నేషనల్ లాబొరేటరీ దేశీయ సైన్స్ మరియు టెక్నాలజీ యొక్క ఒత్తిడి సమస్యలను పరిష్కరించడానికి ప్రయత్నిస్తుంది. యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లో మొదటి జాతీయ ప్రయోగశాలగా, ఆర్గోన్ ప్రతి శాస్త్రీయ విభాగంలో అత్యాధునిక ప్రాథమిక మరియు అనువర్తిత పరిశోధనలను నిర్వహిస్తుంది. Argonne పరిశోధకులు వందలకొద్దీ కంపెనీలు, విశ్వవిద్యాలయాలు మరియు సమాఖ్య, రాష్ట్ర మరియు మునిసిపల్ ఏజెన్సీల పరిశోధకులతో కలిసి నిర్దిష్ట సమస్యలను పరిష్కరించడంలో, US శాస్త్రీయ నాయకత్వాన్ని ముందుకు తీసుకెళ్లడంలో మరియు దేశాన్ని మంచి భవిష్యత్తు కోసం సిద్ధం చేయడంలో సహాయపడతారు. ఆర్గోన్ 60కి పైగా దేశాల నుండి ఉద్యోగులను కలిగి ఉంది మరియు US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ యొక్క UChicago Argonne, LLC ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది.
US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ యొక్క ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ అనేది భౌతిక శాస్త్రాలలో ప్రాథమిక పరిశోధన యొక్క దేశం యొక్క అతిపెద్ద ప్రతిపాదకుడు, మన కాలంలోని కొన్ని ముఖ్యమైన సమస్యలను పరిష్కరించడానికి పని చేస్తోంది. మరింత సమాచారం కోసం, https://’energy.gov/science’ienceని సందర్శించండి.