అమెరికా ఇంధన శాఖ (DOE)కు చెందిన ఆర్గోన్ నేషనల్ లాబొరేటరీలోని పరిశోధకులకు లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీల రంగంలో మార్గదర్శక ఆవిష్కరణలు చేయడంలో సుదీర్ఘ చరిత్ర ఉంది. ఈ ఫలితాలలో చాలా వరకు నికెల్ మాంగనీస్ మరియు కోబాల్ట్ ఆక్సైడ్‌తో కూడిన NMC అని పిలువబడే బ్యాటరీ క్యాథోడ్‌కు సంబంధించినవి. ఈ క్యాథోడ్‌తో కూడిన బ్యాటరీ ఇప్పుడు షెవ్రొలెట్ బోల్ట్‌కు శక్తిని అందిస్తోంది.
NMC క్యాథోడ్‌ల విషయంలో ఆర్గోన్ పరిశోధకులు మరో పురోగతిని సాధించారు. ఈ బృందం రూపొందించిన కొత్త సూక్ష్మ క్యాథోడ్ కణాల నిర్మాణం, బ్యాటరీని మరింత మన్నికైనదిగా, సురక్షితమైనదిగా మార్చగలదు. ఇది చాలా అధిక వోల్టేజ్‌ల వద్ద పనిచేయగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉండి, ఎక్కువ ప్రయాణ పరిధిని అందిస్తుంది.
"అధిక పీడనం గల, అంచులేని కాథోడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి బ్యాటరీ తయారీదారులు ఉపయోగించుకోగల మార్గదర్శకాలు ఇప్పుడు మా వద్ద ఉన్నాయి," అని ఆర్గాన్ ఫెలో ఎమెరిటస్ ఖలీల్ అమిన్ అన్నారు.
"ప్రస్తుతం ఉన్న NMC క్యాథోడ్‌లు అధిక వోల్టేజ్ పనికి ఒక పెద్ద అడ్డంకిగా ఉన్నాయి," అని సహాయక రసాయన శాస్త్రవేత్త గుయిలియాంగ్ జు అన్నారు. ఛార్జ్-డిశ్చార్జ్ సైక్లింగ్ వల్ల, క్యాథోడ్ కణాలలో పగుళ్లు ఏర్పడటం వలన పనితీరు వేగంగా పడిపోతుంది. దశాబ్దాలుగా, బ్యాటరీ పరిశోధకులు ఈ పగుళ్లను బాగుచేసే మార్గాల కోసం అన్వేషిస్తున్నారు.
గతంలో ఒక పద్ధతిలో, అనేక చాలా చిన్న కణాలతో కూడిన సూక్ష్మ గోళాకార కణాలను ఉపయోగించేవారు. పెద్ద గోళాకార కణాలు బహుస్ఫటికాలుగా ఉంటాయి, వీటిలో వివిధ దిశలలో స్ఫటికాకార డొమైన్‌లు ఉంటాయి. ఫలితంగా, కణాల మధ్య శాస్త్రవేత్తలు 'గ్రెయిన్ బౌండరీలు' అని పిలిచేవి ఉంటాయి, ఇవి ఒక సైకిల్ సమయంలో బ్యాటరీ పగిలిపోవడానికి కారణం కావచ్చు. దీనిని నివారించడానికి, క్సూ మరియు ఆర్గోన్ సహోద్యోగులు గతంలో ప్రతి కణం చుట్టూ ఒక రక్షిత పాలిమర్ పూతను అభివృద్ధి చేశారు. ఈ పూత పెద్ద గోళాకార కణాలను మరియు వాటిలోని చిన్న కణాలను చుట్టుముడుతుంది.
ఈ రకమైన పగుళ్లను నివారించడానికి మరొక మార్గం ఏక స్ఫటిక కణాలను ఉపయోగించడం. ఈ కణాల ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీలో వాటికి సరిహద్దులు లేవని తేలింది.
కోటెడ్ పాలీక్రిస్టల్స్ మరియు సింగిల్ క్రిస్టల్స్‌తో తయారు చేసిన క్యాథోడ్‌లు సైక్లింగ్ సమయంలో పగిలిపోవడమే ఆ బృందానికి సమస్యగా మారింది. అందువల్ల, వారు యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీకి చెందిన ఆర్గాన్ సైన్స్ సెంటర్‌లోని అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ (APS) మరియు సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్ (CNM) వద్ద ఈ క్యాథోడ్ మెటీరియల్స్‌పై విస్తృతమైన విశ్లేషణను నిర్వహించారు.
ఐదు APS భుజాలపై (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C మరియు 34-ID-E) వివిధ ఎక్స్-రే విశ్లేషణలు జరిపారు. ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఎక్స్-రే మైక్రోస్కోపీ ద్వారా శాస్త్రవేత్తలు ఒకే స్ఫటికం అని భావించిన దానికి, వాస్తవానికి లోపల ఒక సరిహద్దు ఉందని తేలింది. CNMల యొక్క స్కానింగ్ మరియు ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ఈ నిర్ధారణను ధృవీకరించింది.
"మేము ఈ కణాల ఉపరితల స్వరూపాన్ని పరిశీలించినప్పుడు, అవి ఏక స్ఫటికాల్లా కనిపించాయి," అని భౌతిక శాస్త్రవేత్త వెన్‌జున్ లియు అన్నారు. âÀ<“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。” âł <“నీవు我们 发现 边界 隐藏 在。”అయితే, మేము APSలో సింక్రోట్రాన్ ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ మైక్రోస్కోపీ మరియు ఇతర పద్ధతులను ఉపయోగించినప్పుడు, ఆ సరిహద్దులు లోపల దాగి ఉన్నాయని కనుగొన్నాము.
ముఖ్యంగా, ఈ బృందం సరిహద్దులు లేని ఏక స్ఫటికాలను ఉత్పత్తి చేసే పద్ధతిని అభివృద్ధి చేసింది. చాలా అధిక వోల్టేజ్‌ల వద్ద ఈ ఏక-స్ఫటిక కాథోడ్‌తో చిన్న సెల్‌లను పరీక్షించినప్పుడు, 100 పరీక్షా చక్రాల పాటు పనితీరులో దాదాపు ఎటువంటి నష్టం లేకుండా, యూనిట్ ఘనపరిమాణానికి శక్తి నిల్వలో 25% పెరుగుదల కనిపించింది. దీనికి విరుద్ధంగా, బహుళ-అంతరముఖ ఏక స్ఫటికాలు లేదా పూత పూసిన బహుస్ఫటికాలతో కూడిన NMC కాథోడ్‌లు అదే జీవితకాలంలో 60% నుండి 88% వరకు సామర్థ్య క్షీణతను చూపించాయి.
పరమాణు స్థాయి గణనలు కాథోడ్ కెపాసిటెన్స్ క్షీణత యొక్క యంత్రాంగాన్ని వెల్లడిస్తున్నాయి. CNMలోని నానో శాస్త్రవేత్త మరియా చాంగ్ ప్రకారం, బ్యాటరీ ఛార్జ్ అవుతున్నప్పుడు, వాటికి దూరంగా ఉన్న ప్రాంతాల కంటే సరిహద్దులు ఆక్సిజన్ పరమాణువులను కోల్పోయే అవకాశం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ ఆక్సిజన్ నష్టం సెల్ సైకిల్ క్షీణతకు దారితీస్తుంది.
"ఆ సరిహద్దు కారణంగా అధిక పీడనంతో ఆక్సిజన్ విడుదల కావడం, దానివల్ల పనితీరు తగ్గడం జరగవచ్చని మా లెక్కలు చూపిస్తున్నాయి," అని చాన్ అన్నారు.
సరిహద్దును తొలగించడం ఆక్సిజన్ విడుదలను నిరోధిస్తుంది, తద్వారా కాథోడ్ యొక్క భద్రత మరియు చక్రీయ స్థిరత్వం మెరుగుపడుతుంది. యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీకి చెందిన లారెన్స్ బర్కిలీ నేషనల్ లాబొరేటరీలో APS మరియు ఒక అధునాతన కాంతి వనరుతో చేసిన ఆక్సిజన్ విడుదల కొలతలు ఈ నిర్ధారణను ధృవీకరిస్తున్నాయి.
"పరిమితులు లేని, అధిక పీడనంతో పనిచేసే క్యాథోడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి బ్యాటరీ తయారీదారులు ఉపయోగించగల మార్గదర్శకాలు ఇప్పుడు మన వద్ద ఉన్నాయి," అని ఆర్గాన్ 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。”NMC మినహా ఇతర కాథోడ్ పదార్థాలకు మార్గదర్శకాలు వర్తించాలి.
ఈ అధ్యయనం గురించిన కథనం నేచర్ ఎనర్జీ జర్నల్‌లో ప్రచురించబడింది. జు, అమిన్, లియు మరియు చాంగ్‌లతో పాటు, అర్గోన్ రచయితలు జియాంగ్ లియు, వెంకట సూర్య చైతన్య కొల్లూరు, చెన్ జావో, జిన్‌వీ జౌ, యుజి లియు, లియాంగ్ యింగ్, అమిన్ డాలీ, యాంగ్ రెన్, వెన్‌కియాన్ జు , జుంజింగ్ డెంగ్, ఇంహుయ్ జున్ సునాంగ్, తాంగ్‌జు హ్వాంగ్, తాంగీ ఝుంగ్, తాంగ్‌జు హ్వాంగ్, 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.
ఆర్గోన్ సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్ గురించి: ఐదు యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ నానోటెక్నాలజీ పరిశోధనా కేంద్రాలలో ఒకటైన ఈ సెంటర్ ఫర్ నానోమెటీరియల్స్, యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ వారి ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ మద్దతుతో జరిగే అంతర్విభాగ నానోస్కేల్ పరిశోధన కోసం ఒక ప్రముఖ జాతీయ వినియోగదారు సంస్థగా ఉంది. ఈ ఎన్‌ఎస్‌ఆర్‌సిలు కలిసి, ఒకదానికొకటి పూరకంగా ఉండే సౌకర్యాల సముదాయాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. ఇవి పరిశోధకులకు నానోస్కేల్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి, ప్రాసెస్ చేయడానికి, వాటి లక్షణాలను నిర్ధారించడానికి మరియు నమూనా చేయడానికి అత్యాధునిక సామర్థ్యాలను అందిస్తాయి. అంతేకాకుండా, ఇవి నేషనల్ నానోటెక్నాలజీ ఇనిషియేటివ్ కింద చేసిన అతిపెద్ద మౌలిక సదుపాయాల పెట్టుబడిని సూచిస్తాయి. ఈ ఎన్‌ఎస్‌ఆర్‌సి, ఆర్గోన్, బ్రూక్‌హేవన్, లారెన్స్ బర్కిలీ, ఓక్ రిడ్జ్, సాండియా మరియు లాస్ అలమోస్‌లోని యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ నేషనల్ లాబొరేటరీస్‌లో నెలకొని ఉంది. NSRC DOE గురించి మరింత సమాచారం కోసం, https://science.osti.gov/User-Facilitities/User-Facilitities-at-aGlance ను సందర్శించండి.
ఆర్గాన్ నేషనల్ లాబొరేటరీలోని యూఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీకి చెందిన అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ (APS) ప్రపంచంలోనే అత్యంత ఉత్పాదక ఎక్స్-రే వనరులలో ఒకటి. APS పదార్థ విజ్ఞానం, రసాయన శాస్త్రం, ఘనీభవించిన పదార్థ భౌతిక శాస్త్రం, జీవ మరియు పర్యావరణ శాస్త్రాలు, మరియు అనువర్తిత పరిశోధన రంగాలలోని విభిన్న పరిశోధనా వర్గానికి అధిక-తీవ్రత గల ఎక్స్-రేలను అందిస్తుంది. ఈ ఎక్స్-రేలు పదార్థాలు మరియు జీవ నిర్మాణాలను, మూలకాల పంపిణీని, రసాయన, అయస్కాంత మరియు ఎలక్ట్రానిక్ స్థితులను, మరియు బ్యాటరీల నుండి ఫ్యూయల్ ఇంజెక్టర్ నాజిల్‌ల వరకు అన్ని రకాల సాంకేతికంగా ముఖ్యమైన ఇంజనీరింగ్ వ్యవస్థలను అధ్యయనం చేయడానికి చాలా అనువైనవి. ఇవి మన జాతీయ ఆర్థిక వ్యవస్థ, సాంకేతికత మరియు శరీర ఆరోగ్యానికి ఆధారం. ప్రతి సంవత్సరం, 5,000 మందికి పైగా పరిశోధకులు APSను ఉపయోగించి, ముఖ్యమైన ఆవిష్కరణలను వివరిస్తూ 2,000కు పైగా ప్రచురణలను వెలువరిస్తున్నారు మరియు మరే ఇతర ఎక్స్-రే పరిశోధనా కేంద్రం వినియోగదారుల కంటే ఎక్కువగా ముఖ్యమైన జీవ ప్రోటీన్ నిర్మాణాలను పరిష్కరిస్తున్నారు. APS శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్లు యాక్సిలరేటర్లు మరియు కాంతి వనరుల పనితీరును మెరుగుపరచడానికి ఆధారమైన వినూత్న సాంకేతికతలను అమలు చేస్తున్నారు. పరిశోధకులు ఎంతో విలువైనవిగా భావించే అత్యంత ప్రకాశవంతమైన ఎక్స్-రేలను ఉత్పత్తి చేసే ఇన్‌పుట్ పరికరాలు, ఎక్స్-రేలను కొన్ని నానోమీటర్ల వరకు కేంద్రీకరించే కటకాలు, అధ్యయనం చేయబడుతున్న నమూనాతో ఎక్స్-రేలు సంకర్షణ చెందే విధానాన్ని గరిష్ఠం చేసే పరికరాలు, మరియు APS ఆవిష్కరణల సేకరణ మరియు నిర్వహణ వంటివి ఇందులో ఉన్నాయి. పరిశోధన భారీ పరిమాణంలో డేటాను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
ఈ అధ్యయనం, DE-AC02-06CH11357 ఒప్పంద సంఖ్య క్రింద US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ కోసం ఆర్గాన్ నేషనల్ లాబొరేటరీచే నిర్వహించబడే, US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ యూజర్ సెంటర్ అయిన అడ్వాన్స్‌డ్ ఫోటాన్ సోర్స్ నుండి వనరులను ఉపయోగించుకుంది.
ఆర్గాన్ జాతీయ ప్రయోగశాల దేశీయ శాస్త్ర, సాంకేతిక రంగాలలోని తీవ్రమైన సమస్యలను పరిష్కరించడానికి కృషి చేస్తుంది. యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లో మొట్టమొదటి జాతీయ ప్రయోగశాలగా, ఆర్గాన్ దాదాపు ప్రతి శాస్త్రీయ విభాగంలోనూ అత్యాధునిక ప్రాథమిక మరియు అనువర్తిత పరిశోధనలను నిర్వహిస్తుంది. నిర్దిష్ట సమస్యలను పరిష్కరించడంలో, అమెరికా శాస్త్రీయ నాయకత్వాన్ని ముందుకు తీసుకెళ్లడంలో, మరియు దేశాన్ని ఒక మెరుగైన భవిష్యత్తుకు సిద్ధం చేయడంలో సహాయపడటానికి, ఆర్గాన్ పరిశోధకులు వందలాది కంపెనీలు, విశ్వవిద్యాలయాలు, మరియు సమాఖ్య, రాష్ట్ర, మరియు పురపాలక సంస్థల పరిశోధకులతో సన్నిహితంగా కలిసి పనిచేస్తారు. ఆర్గాన్‌లో 60కి పైగా దేశాలకు చెందిన ఉద్యోగులు పనిచేస్తున్నారు మరియు ఇది అమెరికా ఇంధన శాఖకు చెందిన సైన్స్ కార్యాలయం యొక్క యుచికాగో ఆర్గాన్, ఎల్ఎల్‌సి ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది.
యుఎస్ డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీకి చెందిన ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్, భౌతిక శాస్త్రాలలో ప్రాథమిక పరిశోధనను ప్రోత్సహించే దేశంలోనే అతిపెద్ద సంస్థ. ఇది మన కాలంలోని అత్యంత కీలకమైన కొన్ని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి కృషి చేస్తోంది. మరింత సమాచారం కోసం, https://energy.gov/scienceience ను సందర్శించండి.