برای ساخت باطری های بهتر، شما باید آنها را در قانون بگیرید

- Jul 26, 2017-

این مقاله بخشی از یک سری از ساختن آینده باتری است. چگونه می توانیم باتری هایی را که می خواهیم خانه ها، حمل و نقل و صنعتمان را در اختیار ما قرار دهیم، ایجاد کنیم، و چه چیزی در راه است ؟


صنایع در حال توسعه، از ذخیره سازی انرژی در مقیاس بزرگ تا خودروهای الکتریکی، به باتری های ماندگار نیاز دارند. اما برای ساخت آنها، ما باید بیشتر بدانیم که عمر باتری را محدود می کند.

ابزارهای جدید اجازه می دهد محققان در مقیاس نانومتری باتری ها را در حالی که در حال کار هستند، بررسی کنند. این به آنها کمک می کند تا گسل های داخلی را شناسایی کنند که می تواند باعث خرابی باتری شود.

ابزار پیشرفته مانند میکروسکوپ الکترونی و synchrotrons - یک منبع نور بسیار قدرتمند - اجازه دهید ما را در باتری ها در حالی که در حال استفاده هستند نگاه کنید. دوربین ها و آشکارسازهای با سرعت بالا، تکنولوژی تراشه و توانایی پردازش داده های بزرگی از اطلاعات نیز نقش دارند.

این زمینه در حال ظهور هنوز موانع خود را دارد: اشعه ایکس پر انرژی یا پرتوهای الکترونی که توسط این ابزارها استفاده می شود، می تواند با کار باتری اختلال ایجاد کند و به طور نمونه حجم نمونه محدود است زیرا نیاز به جا به جایی در فضای دستگاه نسبتا کوچک است.

علیرغم چالش های فنی، این ابزار می تواند بینش های مهم در محدودیت های فعلی تکنولوژی باتری ارائه دهد.

چگونه می توانیم باتری ها را در حالی که در حال استفاده هستند نگاه کنیم؟

برای درک چگونگی عملکرد باتری ها، مهم است ابتدا قطعات آنها را درک کنید.

برای مثال، هر باتری لیتیوم یونی دارای یک الکترود مثبت و منفی و یک الکترولیت است که آنها را جدا می کند. این الکترولیت، به طور معمول یک ترکیب شیمیایی مایع، به یک بار الکتریکی (به شکل یون لیتیوم) اجازه می دهد جریان یابد. یون لیتیوم از طریق الکترولیت بین الکترودها پخش می شود بسته به اینکه آیا سلول شارژ شده یا تخلیه شده است.

هنگامی که باتری های تصویربرداری فعال می شوند، می توانید این فرایند های نانومقیاس را ببینید و با استفاده از مواد مورد استفاده مشکلی را شناسایی کنید. در آزمایشگاه، باتری سلول سکه اغلب برای آزمایش استفاده می شود.

در این روش می توان از طیف وسیعی از ابزارها برای نگاه کردن به باتری ها استفاده کرد، اما تکنیک های میکروسکوپ اشعه ایکس و الکترومغناطیس به خصوص امیدوار کننده است.

برای محققان قادر به دیدن آنچه در داخل باتری است، پرتو تصویربرداری، چه نور، اشعه ایکس یا پرتو الکترون، باید از طریق نمونه عبور کند. فقط در مورد نور با یک دیوار به جای یک پنجره فکر کنید: اگر باتری خیلی ضخیم باشد، اشعه ایکس یا پرتو الکترون نمی تواند نفوذ کند.

نویسنده با یک باتری سلول سکه مورد استفاده برای آزمایش. روت Knibbe ، نویسنده ارائه شده است

اشعه ایکس آزمایش معمولی دارای انرژی و شدت کم است و بنابراین نمی تواند به یک ماده بسیار عمیق نفوذ کند. با این حال، پرتو ایکس از یک سنکروترون دارای انرژی قابل ملاحظه ای بیشتر است و اجازه می دهد تا نفوذ عمیق تر.

با این حال، synchrotrons معمولا امکانات بسیار زیادی است که برای کار و دسترسی دشوار است.

یک ابزار رایج، میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM) است. TEM یک میکروسکوپ است که بر خلاف یک میکروسکوپ معمولی، یک پرتو الکترونی را به جای یک پرتو نور استفاده می کند. پرتو الکترون می تواند برای بزرگنمایی بیش از یک میلیون بار امکان پذیر باشد.

با این حال، اگر یک پرتو الکترونی از طریق هوا عبور می کرد، به طور قابل توجهی پراکنده می شد و شما نمی توانستید چیزی را ببینید. به همین دلیل عملیات TEM نیاز به خلاء بسیار بالا دارد که به پرتو الکترون اجازه می دهد تا به راحتی عبور کند.

متاسفانه این مسئله یکی دیگر از چالش ها برای محققان است: خلاء باعث می شود که یک الکترولیت مایع (موجود در بسیاری از باتری های استاندارد) غیرممکن باشد، زیرا مایع به احتمال زیاد تبخیر می شود.

به تازگی، دارنده های جدید TEM طراحی شده اند که اجازه می دهد مواد باتری و الکترولیت مایع بین دو پنجره ی شفاف الکترونیکی و همچنین جریان را از مواد باتری منتقل کند.

این باعث می شود که یک تصویر با بزرگنمایی بسیار زیاد ایجاد شود، در حالی که باتری را اجرا می کند.

چه مشکلی باتری ما به دنبال آن هستیم؟

این نوع ظهور تحقیق باتری برای رسیدگی به گسل های باتری ضروری است.

از اهمیت ویژه ای برخوردار است که شرایطی را برای رشد دندریت لیتیوم فراهم می کند.

دندریت لیتیوم ساختارهای درختی میکروسکوپی است که می تواند از یک الکترود لیتیوم رشد کند که به طور بالقوه باعث قطع اتصال سلول می شود. این فرآیند حتی می تواند موجب آتش سوزی باتری شود، و این موضوع مانع استفاده از الکترودهای لیتیوم قدرتمند می شود.

کارهای مقدماتی نشان داده است که رشد پویا دندریتهای لیتیوم در یک TEM امکان پذیر است.

دو تصویر میکروسکوپ الکترونی اسکن که نشان می دهد چگونه یک الکترولیت سنتی می تواند باعث رشد دندریت شود (سمت چپ)، در حالی که یک الکترولیت جدید باعث رشد ندول های صاف شده است که باتری های مدار کوتاه (راست) را ایجاد نمی کنند. آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام / فلیکر، CC BY

با توجه به تنش های ناشی از تغییرات حجم زیاد، به علت جذب و آزاد شدن یون های لیتیوم، اجزای الکترود حل کننده در الکترولیت و مسائل مربوط به خوردگی درازمدت، در باتری های لیتیوم-یون نیز می توانند کاهش یابد.

این مشکلات فقط در حال حاضر درک نشده است، اما تصویربرداری با نانوذرات به ما کمک می کند طراحی باتری را بهبود بخشیم.

چشم انداز ما این است که با توجه به شرایط عملیاتی مختلف، سیستم باتری جدید را مشاهده کنیم. به این ترتیب ما می توانیم چالش هایی را که سیستم های باتری طول عمر را حفظ می کنند، درک کنیم.