محققان دانشگاه استنفورد و آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC راه حلی موثر برای ارتقا باتری های لیتیومی یافته اند.
به گزارش تکناک، باتری‌های فلزی لیتیوم جدید با الکترولیت‌های جامد، سبک وزن، قابل اشتعال و پر انرژی هستند و می توانند خیلی سریع دوباره شارژ شوند، اما به دلیل برخی مشکلات از جمله اتصال کوتاه و خرابی چندان مورد استفاده قرار نمی گیرند.
این موضوع به تنش و به بیان دقیق تر، تنش مکانیکی به ویژه در هنگام شارژ مجدد قوی مربوط می شود.
نویسنده ارشد ویلیام چوئه، استادیار علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی و علوم انرژی و مهندسی استنفورد توضیح می‌دهد که فقط فرورفتگی، خم شدن یا پیچ خوردن باتری ها می تواند باعث باز شدن شکاف های نانوسکوپی در مواد و نفوذ لیتیوم به الکترولیت جامد شود که نتیجه آن ایجاد اتصال کوتاه است.
چوئه، که این تحقیق را با وندی گو، استادیار مهندسی مکانیک هدایت می‌کند، گفت: حتی گرد و غبار یا سایر ناخالصی‌های وارد شده در تولید می‌تواند تنش کافی برای شکست ایجاد کند.
شکست الکترولیت های جامد مشکل جدیدی نیست و بسیاری این پدیده را مطالعه کرده اند. تئوری های فراوانی در مورد علت دقیق آن وجود دارد. برخی می گویند جریان ناخواسته الکترون ها مقصر است، در حالی که برخی دیگر به شیمی اشاره می کنند. با این حال براساس نظریه پردازی دیگران، نیروهای مختلفی در حال ایفای نقش هستند.
در مطالعه‌ای که امروز (30 ژانویه) در ژورنال Nature Energy منتشر شد، جف مک‌کونوهی و شین زو و تنگ کوی، نویسندگان مسئول، در آزمایش‌های دقیق و معنی دار آماری توضیح می‌دهند که چگونه نقص در مقیاس نانو و تنش های مکانیکی باعث از کار افتادن الکترولیت‌های جامد می‌شوند. دانشمندان در سراسر جهان که در تلاش برای توسعه باتری‌های قابل شارژ الکترولیت جامد جدید هستند، می‌توانند از نتایج این تحقیق بهره برداری کنند. باتری‌های فلزی لیتیومی با انرژی متراکم، شارژ سریع و غیرقابل اشتعال که عمر طولانی دارند می‌توانند بر موانع اصلی استفاده گسترده از وسایل نقلیه الکتریکی غلبه کنند.
اهمیت آماری
بسیاری از الکترولیت های جامد پیشرو امروزی سرامیکی هستند. آنها انتقال سریع یون های لیتیوم را امکان پذیر می کنند و به طور فیزیکی دو الکترود ذخیره انرژی را از هم جدا می کنند. مهمتر از همه، آنها ضد حریق هستند اما مانند سرامیک خانه های ما، می توانند ترک های ریز روی سطح خود ایجاد کنند.
محققان با بیش از 60 آزمایش نشان دادند که سرامیک‌ها اغلب با ترک‌ها، فرورفتگی‌ها و شکاف‌های نانوسکوپی با عرض کمتر از 20 نانومتر اشباع شده‌اند. (ضخامت یک ورق کاغذ حدود 100 هزار نانومتر است.) چوئه و تیمش می‌گویند در طول شارژ سریع، این شکستگی‌های ذاتی باز می‌شوند و به لیتیوم اجازه نفوذ می‌دهند.
در هر آزمایش، محققان یک کاوشگر الکتریکی را روی یک الکترولیت جامد به کار بردند و یک باتری مینیاتوری ایجاد کردند. سپس از یک میکروسکوپ الکترونی برای مشاهده شارژ سریع در زمان واقعی استفاده کردند. پس از آن، آنها از یک پرتو یون به عنوان چاقوی جراحی استفاده کردند تا بفهمند چرا لیتیوم در برخی مکان‌ها، به دلخواه، روی سطح سرامیک جمع می‌شود، در حالی که در نقاط دیگر شروع به فرورفتن عمیق‌تر می‌کند تا زمانی که لیتیوم روی الکترولیت جامد پل بزند و یک اتصال کوتاه ایجاد کند.
تفاوت اصلی در موضوع فشار است. هنگامی که پروب الکتریکی فقط سطح الکترولیت را لمس می کند، لیتیوم به زیبایی در بالای الکترولیت جمع می شود، حتی زمانی که باتری در کمتر از یک دقیقه شارژ شود. با این حال، هنگامی که کاوشگر به الکترولیت سرامیکی فشار می آورد و تنش های مکانیکی فرورفتگی، خمش و پیچش را تقلید می کند، احتمال اتصال کوتاه باتری بیشتر است.
از تئوری به واقعیت
یک باتری حالت جامد واقعی از لایه‌هایی که روی صفحات کاتد-الکترولیت-آند قرار میگیرند ساخته شده است. نقش الکترولیت جداسازی فیزیکی کاتد از آند است و همزمان اجازه می دهد یون های لیتیوم آزادانه بین این دو حرکت کنند. اگر کاتد و آند به هر طریقی مانند تونلی از لیتیوم فلزی با یکدیگر تماس یا اتصال الکتریکی داشته باشند، یک اتصال کوتاه رخ می دهد.
آنطور که چوئه و تیمش در این تحقیقات نشان می‌دهند، حتی یک خمیدگی ظریف، پیچش خفیف، یا لکه‌ای از گرد و غبار که بین الکترولیت و آند لیتیوم گیر کرده باشد،می تواند باعث ایجاد شکاف‌های نامحسوس شود.
مک کونوهی که سال گذشته در آزمایشگاه چوئه کار می کرد و دکترای خود را به پایان رساند و اکنون در بخش صنعت فعالیت می کند، می گوید: با توجه به فرصت نقب زدن در الکترولیت، لیتیوم در نهایت مسیر خود را از بین میبرد و کاتد و آند را به هم متصل می کند.
به گفته محققان، یافته های جدید بارها در مطالعات تکرار شدند. آنها با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی روبشی فیلمی از این فرآیند آزمایشات خود ضبط کردند.
شین زو توضیح داد که این کمی شبیه به شکلی است که یک چاله در پیاده رو عالی و بی نقص ظاهر می شود. لاستیک‌های ماشین، از طریق باران و برف، ، آب را به عیوب کوچک و از قبل موجود در پیاده‌رو می‌کوبند و شکاف‌هایی را ایجاد می‌کنند که با گذر زمان رشد می‌کنند.
زو، ادامه داد: لیتیوم در واقع یک ماده نرم است، اما، مانند آب در قیاس چاله، تنها چیزی که لازم است فشار برای افزایش شکاف و ایجاد شکست است.
تیم با درک جدید خود، به دنبال راه‌هایی برای استفاده عمدی از همین نیروهای مکانیکی برای سفت‌کردن مواد در حین ساخت هستند، دقیقاً مانند آهنگری که یک تیغه را در حین تولید بازپخت می‌کند. آنها همچنین به دنبال یافتن روش هایی برای پوشش سطح الکترولیت هستند تا از ترک خوردن جلوگیری کنند یا در صورت ظهور، آنها را ترمیم کنند.
زو نتیجه گیری کرد: این پیشرفت‌ها همه با یک سؤال شروع می‌شوند: چرا؟ ما مهندس هستیم. مهمترین کاری که می توانیم انجام دهیم این است که بفهمیم چرا اتفاقی در حال رخ دادن است. وقتی این را بدانیم، می‌توانیم اوضاع را بهبود ببخشیم.
