امکان بهبودی باتری خودروهای الکتریکی با رفع یک نقص
به گزارش سینا پرس فارس، 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 مزایایی دارند، تغییرات موضعی یا نقص‌های کوچک در ماده جامد ممکن است باتری را کوتاه یا فرسوده کند.
کلسی هاتزل، محقق ارشد، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا و مرکز اندلینگر برای انرژی و محیط زیست، گفت: «یک ماده یکنواخت مهم است. "شما می خواهید یون ها در هر نقطه از فضا با سرعت یکسان حرکت کنند."
هاتزل و همکارانش 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. که 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.
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 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.
***
الکترولیت گارنت از مجموعه ای از بلوک های ساختمانی 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 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 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." برای ساخت باتری‌هایی که هزاران چرخه شارژ دوام می‌آورند، باید بر مکان و نحوه حرکت یونها در الکترولیت‌ها کنترل داشته باشیم.»
هاتزل گفت 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 داریم در مورد اینکه چگونه می‌توان از این ناهمگونی‌ها اجتناب کرد، آزمایش نشده است. مطمئناً چالش برانگیز خواهد بود، اما غیرممکن نیست.»
مترجم: امیر محمد مظفری
منبع: scitechdaily
