رفع یک نقص پنهان منجر به بهبود باتری خودروهای الکتریکی می شود

در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی، باتری های حالت جامد شارژ سریع‌تر، برد بالاتر و طول عمر بیشتری را ارائه می‌کنند و می‌توانند نقش کلیدی در خودروهای الکتریکی ایفا کنند. با این حال، باتری‌های حالت جامد به دلیل روش‌های موجود ساخت و پردازش مواد مستعد خرابی هستند.

به گزارش تک ناک، محققان اکنون یک نقص پنهان را کشف کرده اند که باعث شکست در این نوع باتری ها شده است. مرحله بعدی توسعه مواد و فرآیندهای تولیدی است که این نقص ها را در نظر گرفته و باتری های نسل بعدی را ایجاد می کند.برخلاف باتری‌های لیتیوم یون سنتی که دارای ذرات باردار به نام یون‌هایی هستند که در یک مایع حرکت می‌کنند، باتری‌های حالت جامد دارای یون‌هایی هستند که از طریق باتری در داخل یک ماده جامد حرکت می‌کنند.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد در حالی که سلول‌های حالت جامد دارای مزایایی هستند، تغییرات موضعی یا نقص‌های کوچک در ماده جامد ممکن است باتری را سریع فرسوده کند.هاتزل و همکارانش در مقاله‌ای که اخیراً در Nature Materials منتشر شده است، چگونگی استفاده از ابزارهای پیشرفته را در آزمایشگاه ملی آرگون برای بازرسی و ردیابی تغییرات مواد در مقیاس نانو در داخل باتری در حین شارژ و دشارژ توضیح دادند.

تیمی از محققان دانشگاه پرینستون، دانشگاه واندربیلت، آزمایشگاه ملی آرگون و آزمایشگاه ملی اوک ریج دانه‌های کریستالی را در الکترولیت جامد باتری، بخش هسته باتری که بار الکتریکی از طریق آن جریان می‌یابد، تجزیه و تحلیل کردند. با حرکت سریعتر یونها به یک ناحیه از باتری نسبت به منطقه دیگر، محققان به این نتیجه رسیدند که بی نظمی بین دانه ها ممکن است باعث تسریع خرابی باتری شود. تغییر روش های پردازش و ساخت مواد ممکن است به حل مسائل مربوط به قابلیت اطمینان باتری کمک کند.

باتری ها انرژی الکتریکی را در موادی که الکترودهای آنها را تشکیل می دهند ذخیره می کنند: آند (انتهای باتری که با علامت منفی مشخص شده است) و کاتد (انتهای باتری که با علامت مثبت مشخص شده است). هنگامی که باتری برای تامین انرژی یک ماشین یا تلفن هوشمند انرژی تخلیه می کند، ذرات باردار (به نام یون) در طول باتری به سمت کاتد (انتهای +) حرکت می کنند. الکترولیت، جامد یا مایع، مسیری است که یون ها بین آند و کاتد طی می کنند.

بدون الکترولیت، یون ها نمی توانند حرکت کنند و انرژی را در آند و کاتد ذخیره کنند.در باتری های حالت جامد، الکترولیت معمولاً یا سرامیکی یا شیشه ای متراکم است. باتری‌های حالت جامد با الکترولیت‌های جامد ممکن است مواد با انرژی بیشتری (مانند فلز لیتیوم) را فعال کنند و باتری‌ها را سبک‌تر و کوچک‌تر کنند.

وزن، حجم و ظرفیت شارژ عوامل کلیدی برای کاربردهای حمل و نقل مانند وسایل نقلیه الکتریکی هستند. باتری های حالت جامد نیز باید ایمن تر و کمتر در معرض آتش سوزی نسبت به سایر اشکال باشند.مهندسان می‌دانند که باتری‌های حالت جامد مستعد خرابی در الکترولیت هستند، اما به نظر می‌رسد این خرابی‌ها به‌طور تصادفی رخ می‌دهند. هاتزل و همکارانش مشکوک بودند که خرابی ها ممکن است تصادفی نباشند بلکه در واقع ناشی از تغییرات در ساختار کریستالی الکترولیت باشند.

برای بررسی این فرضیه، محققان از سینکروترون در آزمایشگاه ملی آرگون برای تولید اشعه ایکس قدرتمند استفاده کردند که به آنها اجازه می‌دهد در حین کار به داخل باتری نگاه کنند. آنها تصویربرداری پرتو ایکس و تکنیک های پراش انرژی بالا را برای مطالعه ساختار کریستالی الکترولیت گارنت در مقیاس آنگستروم، تقریباً به اندازه یک اتم، ترکیب کردند.

این به محققان اجازه داد تا تغییرات گارنت را در سطح کریستال مطالعه کنند.الکترولیت گارنت از مجموعه ای از بلوک های سازنده به نام دانه ها تشکیل شده است. در یک الکترولیت واحد (قطر 1 میلی متر) تقریبا 30000 دانه مختلف وجود دارد. محققان دریافتند که در میان 30000 دانه، دو آرایش ساختاری غالب وجود دارد. این دو ساختار یون ها را با سرعت های مختلف حرکت می دهند.

هاتزل گفت: علاوه بر این، این اشکال یا ساختارهای مختلف «می‌توانند منجر به شیب تنش شوند که منجر به حرکت یون‌ها در جهات مختلف و اجتناب یون‌ها از بخش‌هایی از سلول باتری می‌شود».او حرکت یون های شارژ شده از طریق باتری را به آبی تشبیه کرد که به سمت پایین رودخانه حرکت می کند و با سنگی روبرو می شود که مسیر آب را تغییر مسیر می دهد.

مناطقی که دارای مقادیر زیادی یون در حال حرکت هستند، سطح تنش بالاتری دارند.هاتزل گفت: “اگر همه یون ها به یک مکان بروند، باعث شکست سریع می شود.” ما باید بر مکان و نحوه حرکت یون‌ها در الکترولیت‌ها کنترل داشته باشیم تا باتری‌هایی بسازیم که هزاران چرخه شارژ دوام بیاورند.»

هاتزل اضافه کرد که باید بتوان یکنواختی دانه ها را از طریق تکنیک های تولید و با افزودن مقادیر کمی از مواد شیمیایی مختلف به نام ناخالصی ها برای تثبیت فرم های کریستالی در الکترولیت ها کنترل کرد.

او گفت: «ما فرضیه‌های زیادی مورد اینکه چگونه می‌توان از این ناهمگونی‌ها اجتناب کردداریم که هنوز آزمایش نشده است. مطمئناً چالش برانگیز خواهد بود، اما غیرممکن نیست.»