યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી (DOE) ના આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરીના સંશોધકો પાસે લિથિયમ-આયન બેટરીના ક્ષેત્રમાં અગ્રણી શોધોનો લાંબો ઇતિહાસ છે. આમાંના ઘણા પરિણામો બેટરી કેથોડ, જેને NMC કહેવાય છે, નિકલ મેંગેનીઝ અને કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ માટે છે. આ કેથોડ ધરાવતી બેટરી હવે શેવરોલે બોલ્ટને પાવર આપે છે.
આર્ગોનના સંશોધકોએ NMC કેથોડ્સમાં વધુ એક સફળતા હાંસલ કરી છે. ટીમની નવી નાની કેથોડ કણ રચના બેટરીને વધુ ટકાઉ અને સુરક્ષિત બનાવી શકે છે, જે ખૂબ ઊંચા વોલ્ટેજ પર કાર્ય કરવા સક્ષમ છે અને લાંબી મુસાફરી રેન્જ પૂરી પાડી શકે છે.
"હવે અમારી પાસે માર્ગદર્શન છે જેનો ઉપયોગ બેટરી ઉત્પાદકો ઉચ્ચ-દબાણ, બોર્ડરલેસ કેથોડ સામગ્રી બનાવવા માટે કરી શકે છે," ખલીલ અમીન, આર્ગોન ફેલો એમેરિટસ.
"હાલના NMC કેથોડ્સ ઉચ્ચ વોલ્ટેજ કાર્ય માટે એક મોટો અવરોધ રજૂ કરે છે," સહાયક રસાયણશાસ્ત્રી ગિલિયાંગ ઝુએ જણાવ્યું. ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ સાયકલિંગ સાથે, કેથોડ કણોમાં તિરાડોના નિર્માણને કારણે કામગીરી ઝડપથી ઘટે છે. દાયકાઓથી, બેટરી સંશોધકો આ તિરાડોને સુધારવાના રસ્તાઓ શોધી રહ્યા છે.
ભૂતકાળમાં એક પદ્ધતિમાં ઘણા નાના કણોથી બનેલા નાના ગોળાકાર કણોનો ઉપયોગ થતો હતો. મોટા ગોળાકાર કણો પોલીક્રિસ્ટલાઇન હોય છે, જેમાં વિવિધ દિશાઓના સ્ફટિકીય ડોમેન્સ હોય છે. પરિણામે, તેમની પાસે કણો વચ્ચે અનાજની સીમાઓ હોય છે જેને વૈજ્ઞાનિકો કહે છે, જે ચક્ર દરમિયાન બેટરીમાં તિરાડનું કારણ બની શકે છે. આને રોકવા માટે, ઝુ અને આર્ગોનના સાથીઓએ અગાઉ દરેક કણની આસપાસ એક રક્ષણાત્મક પોલિમર કોટિંગ વિકસાવ્યું હતું. આ કોટિંગ મોટા ગોળાકાર કણો અને તેમની અંદર નાના કણોને ઘેરી લે છે.
આ પ્રકારની તિરાડ ટાળવાનો બીજો રસ્તો એ છે કે સિંગલ ક્રિસ્ટલ કણોનો ઉપયોગ કરવો. આ કણોની ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી દર્શાવે છે કે તેમની કોઈ સીમાઓ નથી.
ટીમ માટે સમસ્યા એ હતી કે કોટેડ પોલીક્રિસ્ટલ્સ અને સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સમાંથી બનેલા કેથોડ સાયકલિંગ દરમિયાન પણ તિરાડ પડે છે. તેથી, તેઓએ યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના આર્ગોન સાયન્સ સેન્ટર ખાતે એડવાન્સ્ડ ફોટોન સોર્સ (APS) અને સેન્ટર ફોર નેનોમટીરિયલ્સ (CNM) ખાતે આ કેથોડ સામગ્રીનું વ્યાપક વિશ્લેષણ કર્યું.
પાંચ APS આર્મ (૧૧-BM, ૨૦-BM, ૨-ID-D, ૧૧-ID-C અને ૩૪-ID-E) પર વિવિધ એક્સ-રે વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યા હતા. ઇલેક્ટ્રોન અને એક્સ-રે માઇક્રોસ્કોપી દ્વારા દર્શાવ્યા મુજબ, વૈજ્ઞાનિકો જેને એક જ સ્ફટિક માનતા હતા, તેની અંદર ખરેખર એક સીમા હતી. CNMs ના સ્કેનિંગ અને ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપીએ આ નિષ્કર્ષની પુષ્ટિ કરી.
"જ્યારે અમે આ કણોની સપાટીના આકારવિજ્ઞાન પર નજર નાખી, ત્યારે તેઓ એકલ સ્ફટિક જેવા દેખાતા હતા," ભૌતિકશાસ્ત્રી વેનજુન લિયુએ કહ્યું. 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 技术和和和发现 边界 隐藏 在.""જોકે, જ્યારે અમે APS ખાતે સિંક્રોટ્રોન એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન માઇક્રોસ્કોપી નામની તકનીક અને અન્ય તકનીકોનો ઉપયોગ કર્યો, ત્યારે અમને જાણવા મળ્યું કે સીમાઓ અંદર છુપાયેલી હતી."
મહત્વપૂર્ણ વાત એ છે કે, ટીમે સીમાઓ વિના સિંગલ સ્ફટિકો ઉત્પન્ન કરવાની પદ્ધતિ વિકસાવી છે. ખૂબ જ ઊંચા વોલ્ટેજ પર આ સિંગલ-સ્ફટિક કેથોડ સાથે નાના કોષોનું પરીક્ષણ કરવાથી પ્રતિ યુનિટ વોલ્યુમ ઊર્જા સંગ્રહમાં 25% વધારો જોવા મળ્યો, જેમાં 100 પરીક્ષણ ચક્રમાં કામગીરીમાં વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈ નુકસાન થયું નહીં. તેનાથી વિપરીત, મલ્ટિ-ઇન્ટરફેસ સિંગલ સ્ફટિકો અથવા કોટેડ પોલીક્રિસ્ટલ્સથી બનેલા NMC કેથોડ્સે સમાન જીવનકાળ દરમિયાન ક્ષમતામાં 60% થી 88% ઘટાડો દર્શાવ્યો.
અણુ સ્કેલ ગણતરીઓ કેથોડ કેપેસિટેન્સ ઘટાડવાની પદ્ધતિ જાહેર કરે છે. CNM ના નેનોસાયન્ટિસ્ટ મારિયા ચાંગના મતે, બેટરી ચાર્જ થાય ત્યારે સીમાઓ તેમનાથી દૂરના વિસ્તારો કરતાં ઓક્સિજન પરમાણુ ગુમાવવાની શક્યતા વધુ હોય છે. ઓક્સિજનના આ નુકસાનથી કોષ ચક્રમાં ઘટાડો થાય છે.
"અમારી ગણતરીઓ દર્શાવે છે કે કેવી રીતે સીમા ઉચ્ચ દબાણ પર ઓક્સિજન મુક્ત થવા તરફ દોરી શકે છે, જેના કારણે કામગીરીમાં ઘટાડો થઈ શકે છે," ચાને કહ્યું.
સીમાને દૂર કરવાથી ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ અટકે છે, જેનાથી કેથોડની સલામતી અને ચક્રીય સ્થિરતામાં સુધારો થાય છે. યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીની લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરીમાં APS અને અદ્યતન પ્રકાશ સ્ત્રોત સાથે ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ માપન આ નિષ્કર્ષની પુષ્ટિ કરે છે.
"હવે અમારી પાસે માર્ગદર્શિકા છે જેનો ઉપયોગ બેટરી ઉત્પાદકો કેથોડ સામગ્રી બનાવવા માટે કરી શકે છે જેની કોઈ સીમાઓ નથી અને જે ઉચ્ચ દબાણ પર કાર્ય કરે છે," ખલીલ અમીન, આર્ગોન ફેલો એમેરિટસએ જણાવ્યું હતું. 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 સિવાયના કેથોડ મટિરિયલ્સ પર માર્ગદર્શિકા લાગુ થવી જોઈએ."
આ અભ્યાસ અંગેનો એક લેખ નેચર એનર્જી જર્નલમાં પ્રકાશિત થયો હતો. ઝુ, અમીન, લિયુ અને ચાંગ ઉપરાંત, આર્ગોન લેખકો છે ઝિયાંગ લિયુ, વેંકટા સૂર્ય ચૈતન્ય કોલ્લુરુ, ચેન ઝાઓ, ઝિન્વેઈ ઝોઉ, યુઝી લિયુ, લિયાંગ યિંગ, અમીન દાલી, યાંગ રેન, વેંકિયાન ઝુ, જુનજિંગ ડેંગ, ઇન્હુઇ હ્વાંગ, સુનંગ ડુનહો અને ચેંગહો. લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરી (વાન્લી યાંગ, ક્વિંગ્ટિઅન લી, અને ઝેન્ગકિંગ ઝુઓ), ઝિયામેન યુનિવર્સિટી (જિંગ-જિંગ ફેન, લિંગ હુઆંગ અને શી-ગેંગ સન) અને સિંઘુઆ યુનિવર્સિટી (ડોંગશેંગ રેન, ઝુનિંગ ફેંગ અને મિંગો ઓઉયાંગ) ના વૈજ્ઞાનિકો.
આર્ગોન સેન્ટર ફોર નેનોમટીરિયલ્સ વિશે સેન્ટર ફોર નેનોમટીરિયલ્સ, પાંચ યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી નેનોટેકનોલોજી રિસર્ચ સેન્ટર્સમાંથી એક, યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના ઓફિસ ઓફ સાયન્સ દ્વારા સમર્થિત આંતરશાખાકીય નેનોસ્કેલ સંશોધન માટે અગ્રણી રાષ્ટ્રીય વપરાશકર્તા સંસ્થા છે. સાથે મળીને, NSRC પૂરક સુવિધાઓનો સમૂહ બનાવે છે જે સંશોધકોને નેનોસ્કેલ સામગ્રીના ઉત્પાદન, પ્રક્રિયા, લાક્ષણિકતા અને મોડેલિંગ માટે અત્યાધુનિક ક્ષમતાઓ પ્રદાન કરે છે અને રાષ્ટ્રીય નેનોટેકનોલોજી પહેલ હેઠળ સૌથી મોટા માળખાગત રોકાણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. NSRC આર્ગોન, બ્રુકહેવન, લોરેન્સ બર્કલે, ઓક રિજ, સેન્ડિયા અને લોસ એલામોસમાં યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી નેશનલ લેબોરેટરીઝમાં સ્થિત છે. NSRC DOE વિશે વધુ માહિતી માટે, 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 ની મુલાકાત લો.
આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી ખાતે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીનો એડવાન્સ્ડ ફોટોન સોર્સ (APS) વિશ્વના સૌથી ઉત્પાદક એક્સ-રે સ્ત્રોતોમાંનો એક છે. APS મટીરીયલ સાયન્સ, કેમિસ્ટ્રી, કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સ, લાઇફ અને એન્વાયર્નમેન્ટલ સાયન્સ અને એપ્લાઇડ રિસર્ચમાં વિવિધ સંશોધન સમુદાયને ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા એક્સ-રે પૂરા પાડે છે. આ એક્સ-રે મટીરીયલ અને જૈવિક માળખાં, તત્વોનું વિતરણ, રાસાયણિક, ચુંબકીય અને ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓ અને બેટરીથી લઈને ફ્યુઅલ ઇન્જેક્ટર નોઝલ સુધીની તમામ પ્રકારની ટેકનિકલી મહત્વપૂર્ણ એન્જિનિયરિંગ સિસ્ટમ્સનો અભ્યાસ કરવા માટે આદર્શ છે, જે આપણા રાષ્ટ્રીય અર્થતંત્ર, ટેકનોલોજી અને શરીર માટે મહત્વપૂર્ણ છે. આરોગ્યનો આધાર. દર વર્ષે, 5,000 થી વધુ સંશોધકો APS નો ઉપયોગ કરીને 2,000 થી વધુ પ્રકાશનો પ્રકાશિત કરે છે જેમાં મહત્વપૂર્ણ શોધોની વિગતો આપવામાં આવે છે અને અન્ય કોઈપણ એક્સ-રે સંશોધન કેન્દ્રના વપરાશકર્તાઓ કરતાં વધુ મહત્વપૂર્ણ જૈવિક પ્રોટીન માળખાં ઉકેલવામાં આવે છે. APS વૈજ્ઞાનિકો અને ઇજનેરો નવીન તકનીકોનો અમલ કરી રહ્યા છે જે એક્સિલરેટર અને પ્રકાશ સ્ત્રોતોના પ્રદર્શનને સુધારવા માટેનો આધાર છે. આમાં એવા ઇનપુટ ઉપકરણોનો સમાવેશ થાય છે જે સંશોધકો દ્વારા મૂલ્યવાન અત્યંત તેજસ્વી એક્સ-રે ઉત્પન્ન કરે છે, લેન્સ જે એક્સ-રેને થોડા નેનોમીટર સુધી ફોકસ કરે છે, એવા સાધનો જે અભ્યાસ હેઠળના નમૂના સાથે એક્સ-રે કેવી રીતે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે તેને મહત્તમ બનાવે છે, અને APS શોધોનું સંગ્રહ અને સંચાલન સંશોધન વિશાળ ડેટા વોલ્યુમ ઉત્પન્ન કરે છે.
આ અભ્યાસમાં એડવાન્સ્ડ ફોટોન સોર્સના સંસાધનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, જે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી ઓફિસ ઓફ સાયન્સ યુઝર સેન્ટર છે જે આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી દ્વારા યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી ઓફિસ ઓફ સાયન્સ માટે કોન્ટ્રાક્ટ નંબર DE-AC02-06CH11357 હેઠળ સંચાલિત છે.
આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી સ્થાનિક વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીની સમસ્યાઓનો ઉકેલ લાવવા માટે પ્રયત્નશીલ છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં પ્રથમ રાષ્ટ્રીય પ્રયોગશાળા તરીકે, આર્ગોન લગભગ દરેક વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રમાં અત્યાધુનિક મૂળભૂત અને લાગુ સંશોધન કરે છે. આર્ગોન સંશોધકો સેંકડો કંપનીઓ, યુનિવર્સિટીઓ અને ફેડરલ, રાજ્ય અને મ્યુનિસિપલ એજન્સીઓના સંશોધકો સાથે નજીકથી કામ કરે છે જેથી તેઓ ચોક્કસ સમસ્યાઓ ઉકેલવામાં, યુએસ વૈજ્ઞાનિક નેતૃત્વને આગળ વધારવામાં અને રાષ્ટ્રને વધુ સારા ભવિષ્ય માટે તૈયાર કરવામાં મદદ કરી શકે. આર્ગોન 60 થી વધુ દેશોના કર્મચારીઓને રોજગારી આપે છે અને તે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના ઓફિસ ઓફ સાયન્સના UChicago આર્ગોન, LLC દ્વારા સંચાલિત છે.
યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીનું વિજ્ઞાન કાર્યાલય ભૌતિક વિજ્ઞાનમાં મૂળભૂત સંશોધનનું રાષ્ટ્રનું સૌથી મોટું સમર્થક છે, જે આપણા સમયના કેટલાક સૌથી મહત્વપૂર્ણ મુદ્દાઓને સંબોધવા માટે કાર્ય કરે છે. વધુ માહિતી માટે, https://​energy​.gov/​science​ience ની મુલાકાત લો.