યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી (DOE) આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરીના સંશોધકો લિથિયમ-આયન બેટરીના ક્ષેત્રમાં અગ્રણી શોધનો લાંબો ઇતિહાસ ધરાવે છે. આમાંના ઘણા પરિણામો બેટરી કેથોડ માટે છે, જેને NMC, નિકલ મેંગેનીઝ અને કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ કહેવાય છે. આ કેથોડ સાથેની બેટરી હવે શેવરોલે બોલ્ટને પાવર કરે છે.
Argonne સંશોધકોએ NMC કેથોડ્સમાં બીજી સફળતા હાંસલ કરી છે. ટીમનું નવું નાનું કેથોડ કણોનું માળખું બેટરીને વધુ ટકાઉ અને સુરક્ષિત બનાવી શકે છે, જે ખૂબ ઊંચા વોલ્ટેજ પર કામ કરી શકે છે અને લાંબી મુસાફરીની રેન્જ પ્રદાન કરી શકે છે.
"હવે અમારી પાસે માર્ગદર્શન છે જેનો ઉપયોગ બેટરી ઉત્પાદકો ઉચ્ચ દબાણવાળી, સરહદ વિનાની કેથોડ સામગ્રી બનાવવા માટે કરી શકે છે," ખલીલ અમીન, આર્ગોન ફેલો એમેરિટસ.
"હાલના NMC કેથોડ્સ ઉચ્ચ વોલ્ટેજના કામ માટે મુખ્ય અવરોધ રજૂ કરે છે," મદદનીશ રસાયણશાસ્ત્રી ગુઇલિયાંગ ઝુએ જણાવ્યું હતું. ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ સાયકલિંગ સાથે, કેથોડ કણોમાં તિરાડોના નિર્માણને કારણે કામગીરી ઝડપથી ઘટી જાય છે. દાયકાઓથી, બેટરી સંશોધકો આ તિરાડોને સુધારવાની રીતો શોધી રહ્યા છે.
ભૂતકાળમાં એક પદ્ધતિમાં ઘણા નાના કણોથી બનેલા નાના ગોળાકાર કણોનો ઉપયોગ થતો હતો. મોટા ગોળાકાર કણો પોલીક્રિસ્ટલાઈન હોય છે, જેમાં વિવિધ ઓરિએન્ટેશનના સ્ફટિકીય ડોમેન્સ હોય છે. પરિણામે, તેઓ પાસે છે જેને વૈજ્ઞાનિકો કણો વચ્ચે અનાજની સીમાઓ કહે છે, જેના કારણે ચક્ર દરમિયાન બેટરી ફાટી શકે છે. આને રોકવા માટે, Xu અને Argonne ના સાથીઓએ અગાઉ દરેક કણની આસપાસ રક્ષણાત્મક પોલિમર કોટિંગ વિકસાવ્યું હતું. આ આવરણ મોટા ગોળાકાર કણો અને તેમની અંદર નાના કણોને ઘેરી લે છે.
આ પ્રકારના ક્રેકીંગને 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 કેથોડ્સ હજુ પણ સાયકલિંગ દરમિયાન ફાટી જાય છે. તેથી, તેઓએ યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના આર્ગોન સાયન્સ સેન્ટર ખાતે એડવાન્સ્ડ ફોટોન સોર્સ (APS) અને સેન્ટર ફોર નેનોમટીરિયલ્સ (CNM) ખાતે આ કેથોડ સામગ્રીઓનું વ્યાપક વિશ્લેષણ હાથ ધર્યું હતું.
પાંચ APS આર્મ્સ (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C અને 34-ID-E) પર વિવિધ એક્સ-રે વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યા હતા. તે તારણ આપે છે કે વિજ્ઞાનીઓ જે વિચારતા હતા તે સિંગલ ક્રિસ્ટલ હતું, જેમ કે ઇલેક્ટ્રોન અને એક્સ-રે માઈક્રોસ્કોપી દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું છે, વાસ્તવમાં તેની અંદર એક સીમા હતી. સીએનએમની સ્કેનિંગ અને ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપીએ આ નિષ્કર્ષની પુષ્ટિ કરી છે.
"જ્યારે અમે આ કણોની સપાટીના આકારશાસ્ત્રને જોતા હતા, ત્યારે તેઓ સિંગલ ક્રિસ્ટલ 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们，当我们在界隐藏在内部." 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 䰶和和和边界 隐藏 在.”"જોકે, જ્યારે અમે APS પર સિંક્રોટ્રોન એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન માઇક્રોસ્કોપી અને અન્ય તકનીકો નામની તકનીકનો ઉપયોગ કર્યો, ત્યારે અમને જાણવા મળ્યું કે સીમાઓ અંદર છુપાયેલી હતી."
મહત્ત્વની વાત એ છે કે, ટીમે સીમાઓ વિના સિંગલ ક્રિસ્ટલ બનાવવાની પદ્ધતિ વિકસાવી છે. આ સિંગલ-ક્રિસ્ટલ કેથોડ સાથેના નાના કોષોનું ખૂબ જ ઊંચા વોલ્ટેજ પર પરીક્ષણ કરવાથી 100 પરીક્ષણ ચક્રો પર કાર્યક્ષમતામાં વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈ નુકશાન સાથે યુનિટ વોલ્યુમ દીઠ ઊર્જા સંગ્રહમાં 25% નો વધારો જોવા મળ્યો હતો. તેનાથી વિપરીત, મલ્ટી-ઇન્ટરફેસ સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ અથવા કોટેડ પોલિક્રિસ્ટલ્સથી બનેલા NMC કેથોડ્સે સમાન જીવનકાળ દરમિયાન ક્ષમતામાં 60% થી 88% નો ઘટાડો દર્શાવ્યો હતો.
અણુ સ્કેલની ગણતરીઓ કેથોડ કેપેસીટન્સ ઘટાડવાની પદ્ધતિ દર્શાવે છે. CNM ના નેનોસાયન્ટિસ્ટ મારિયા ચાંગના જણાવ્યા અનુસાર, જ્યારે બેટરી ચાર્જ થાય છે ત્યારે સીમાઓ ઓક્સિજન પરમાણુ ગુમાવવાની શક્યતા વધુ હોય છે. ઓક્સિજનની આ ખોટ કોષ ચક્રના અધોગતિ તરફ દોરી જાય છે.
"અમારી ગણતરીઓ દર્શાવે છે કે કેવી રીતે સીમા ઉચ્ચ દબાણ પર ઓક્સિજન છોડવામાં પરિણમી શકે છે, જે કામગીરીમાં ઘટાડો તરફ દોરી શકે છે," ચાને કહ્યું.
સીમાને દૂર કરવાથી ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ અટકાવે છે, ત્યાં કેથોડની સલામતી અને ચક્રીય સ્થિરતામાં સુધારો થાય છે. એપીએસ સાથે ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ માપન અને યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરી ખાતે અદ્યતન પ્રકાશ સ્ત્રોત આ નિષ્કર્ષની પુષ્ટિ કરે છે.
"હવે અમારી પાસે માર્ગદર્શિકા છે જેનો ઉપયોગ બેટરી ઉત્પાદકો કેથોડ સામગ્રી બનાવવા માટે કરી શકે છે જેની કોઈ સીમા નથી અને ઉચ્ચ દબાણ પર કામ કરે છે," ખલીલ અમીને, આર્ગોન ફેલો એમેરિટસ 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.”"માર્ગદર્શિકા NMC સિવાય કેથોડ સામગ્રી પર લાગુ થવી જોઈએ."
આ અભ્યાસ વિશેનો 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, ઝિન્વેઇ ઝાઉ, યુઝી લિયુ, લિયાંગ યિંગ, અમીન દાલી, યાંગ રેન, વેન્કિયન ઝુ, જુનજિંગ ડેંગ, ઇન્હુઇ હ્વાંગ, ચેંગજુન સન, તાઓ ઝોઉ, મિંગ ડુ અને ઝોંગાઈ ચેન. 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.
નેનોમટીરિયલ્સ માટેના આર્ગોન સેન્ટર વિશે ધ સેન્ટર ફોર નેનોમટીરિયલ્સ, યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી નેનોટેકનોલોજી સંશોધન કેન્દ્રોમાંથી એક, યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જી ઑફ સાયન્સ દ્વારા સમર્થિત આંતરશાખાકીય નેનોસ્કેલ સંશોધન માટેની અગ્રણી રાષ્ટ્રીય વપરાશકર્તા સંસ્થા છે. સાથે મળીને, NSRCs પૂરક સુવિધાઓનો એક સમૂહ બનાવે છે જે સંશોધકોને નેનોસ્કેલ સામગ્રી બનાવવા, પ્રક્રિયા કરવા, પાત્રાલેખન અને મોડેલિંગ માટે અત્યાધુનિક ક્ષમતાઓ પ્રદાન કરે છે અને નેશનલ નેનોટેકનોલોજી પહેલ હેઠળ સૌથી મોટા ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર રોકાણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. એનએસઆરસી એર્ગોન, 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​​c​i​lit​​​ie​s​/ Us ની મુલાકાત લો એરે-એટ-એટ-એટ-એક-લન્સ.
આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી ખાતે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીનો એડવાન્સ્ડ ફોટોન સોર્સ (APS) વિશ્વના સૌથી વધુ ઉત્પાદક એક્સ-રે સ્ત્રોતોમાંનો એક છે. APS સામગ્રી વિજ્ઞાન, રસાયણશાસ્ત્ર, કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સ, જીવન અને પર્યાવરણીય વિજ્ઞાન અને લાગુ સંશોધનમાં વિવિધ સંશોધન સમુદાયને ઉચ્ચ-તીવ્રતાના એક્સ-રે પ્રદાન કરે છે. આ એક્સ-રે સામગ્રીઓ અને જૈવિક રચનાઓ, તત્વોના વિતરણ, રાસાયણિક, ચુંબકીય અને ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓ અને તમામ પ્રકારની તકનીકી રીતે મહત્વપૂર્ણ એન્જિનિયરિંગ સિસ્ટમ્સનો અભ્યાસ કરવા માટે આદર્શ છે, બેટરીથી લઈને ફ્યુઅલ ઇન્જેક્ટર નોઝલ સુધી, જે આપણા રાષ્ટ્રીય અર્થતંત્ર, ટેકનોલોજી માટે મહત્વપૂર્ણ છે. . અને શરીર આરોગ્યનો આધાર. દર વર્ષે, 5,000 થી વધુ સંશોધકો 2,000 થી વધુ પ્રકાશનો પ્રકાશિત કરવા માટે APS નો ઉપયોગ કરે છે જે મહત્વપૂર્ણ શોધોની વિગતો આપે છે અને અન્ય કોઈપણ એક્સ-રે સંશોધન કેન્દ્રના વપરાશકર્તાઓ કરતાં વધુ મહત્વપૂર્ણ જૈવિક પ્રોટીન માળખાને ઉકેલે છે. APS વૈજ્ઞાનિકો અને ઇજનેરો નવીન તકનીકોનો અમલ કરી રહ્યા છે જે પ્રવેગક 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 કે જે એક્સ-રેને થોડા નેનોમીટર સુધી ફોકસ કરે છે, સાધનો કે જે એક્સ-રે અભ્યાસ હેઠળના નમૂના સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે તે રીતે મહત્તમ કરે છે અને APS શોધોના સંગ્રહ અને સંચાલનનો સમાવેશ થાય છે. સંશોધન વિશાળ ડેટા વોલ્યુમ જનરેટ કરે છે.
આ અભ્યાસમાં કોન્ટ્રાક્ટ નંબર DE-AC02-06CH11357 હેઠળ યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જી ઑફિસ ઑફ સાયન્સ માટે આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી દ્વારા સંચાલિત યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જી ઑફિસ ઑફ સાયન્સ યુઝર સેન્ટર, એડવાન્સ્ડ ફોટોન સ્ત્રોતમાંથી સંસાધનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.
આર્ગોન નેશનલ લેબોરેટરી ઘરેલું વિજ્ઞાન અને ટેક્નોલોજીની અગ્રેસર સમસ્યાઓને ઉકેલવા માટે પ્રયત્નશીલ છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં પ્રથમ રાષ્ટ્રીય પ્રયોગશાળા તરીકે, આર્ગોન વર્ચ્યુઅલ રીતે દરેક વૈજ્ઞાનિક શિસ્તમાં અદ્યતન મૂળભૂત અને લાગુ સંશોધન કરે છે. આર્ગોન સંશોધકો સેંકડો કંપનીઓ, યુનિવર્સિટીઓ અને ફેડરલ, રાજ્ય અને મ્યુનિસિપલ એજન્સીઓના સંશોધકો સાથે નજીકથી કામ કરે છે જેથી તેઓને ચોક્કસ સમસ્યાઓ ઉકેલવામાં, યુએસ વૈજ્ઞાનિક નેતૃત્વને આગળ વધારવા અને રાષ્ટ્રને વધુ સારા ભવિષ્ય માટે તૈયાર કરવામાં મદદ મળે. Argonne 60 થી વધુ દેશોમાંથી કર્મચારીઓને રોજગારી આપે છે અને UChicago Argonne, US Department of Energy's Office of Science દ્વારા સંચાલિત થાય છે.
યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઑફ એનર્જીનું ઑફિસ ઑફ સાયન્સ, ભૌતિક વિજ્ઞાનમાં મૂળભૂત સંશોધનનું રાષ્ટ્રનું સૌથી મોટું સમર્થક છે, જે આપણા સમયના કેટલાક સૌથી અઘરા મુદ્દાઓને ઉકેલવા માટે કામ કરે છે. વધુ માહિતી માટે, https://​energy​.gov/​science​ience ની મુલાકાત લો.