أفضل وأسرع وأقوى: قم ببناء بطاريات لا تزدهر

July 11, 2018

هناك قول مأثور: "يجب أن تتعلم المشي قبل أن تتعلم الركض." على الرغم من هذه الحكمة ، تخطي العديد من الصناعات الأساسيات وتدخل في سباقات الماراثون بدلاً من ذلك ، بما في ذلك صناعة البطاريات.

بطاريات ليثيوم أيون تحمل وعودًا لا تصدق من أجل تحسين سعة التخزين ، لكنها متقلبة. لقد سمعنا كل الأخبار عن بطاريات أيونات الليثيوم في الهواتف - وعلى الأخص سامسونج جالاكسي 7 - التي تسببت في إطلاق النار على الهواتف.

وينشأ الكثير من المشكلة من استخدام السائل المنحل بالكهرباء القابل للإشتعال داخل البطارية. نهج واحد هو استخدام المنحل بالكهرباء الصلبة غير القابلة للاشتعال جنبا إلى جنب مع قطب معدن الليثيوم. هذا من شأنه أن يزيد من طاقة البطارية بينما يقلل في الوقت نفسه من احتمال نشوب حريق.

وبشكل أساسي ، فإن الوجهة هي بناء الجيل الجديد من بطاريات الحالة الصلبة التي لا تزدهر. الرحلة هي لفهم الليثيوم جوهريا.

يقول إريك هربرت ، الأستاذ المساعد في علوم وهندسة المواد في جامعة ميتشيغان التكنولوجية: "الجميع ينظر فقط إلى مكونات تخزين الطاقة في البطارية". "عدد قليل جدًا من مجموعات البحث مهتمة بفهم العناصر الميكانيكية. ولكن منخفضًا ، ها نحن نكتشف أن الخواص الميكانيكية لليثيوم نفسها قد تكون الجزء الأساسي من اللغز".

يساهم باحثو ميشيغان تيك بشكل كبير في الحصول على فهم أساسي للليثيوم مع النتائج المنشورة اليوم في سلسلة من الأوراق الثلاث المدعومة في مجلة أبحاث المواد ، والتي تم نشرها بالاشتراك بين جمعية أبحاث المواد و مطبعة جامعة كامبريدج. يتقاسم هيربرت وستيفن هاكني ، أستاذ علوم وهندسة المواد ، إلى جانب فيوليت ثول ، وهي طالبة دراسات عليا في جامعة ميتشيغان تك ، ونانسي دودني في مختبر أوك ريدج الوطني وساندهارشان فاني في المركز الدولي للأبحاث المتقدمة لمسحوق المعادن والمواد الجديدة ، التأكيد على أهمية السلوك الليثيوم الميكانيكي في التحكم في أداء وسلامة بطاريات الجيل القادم.

مثل ضرار التجميد دورة ذوبان الخرسانة ، تتلف dithrites الليثيوم البطاريات

الليثيوم معدن شديد التفاعل ، مما يجعله عرضة لسوء السلوك. لكنها أيضًا جيدة جدًا في تخزين الطاقة. نريد أن يتم شحن هواتفنا (وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية) في أسرع وقت ممكن ، ومن ثم يواجه مصنعو البطاريات ضغوطًا مزدوجة: اصنع بطاريات تتقاضى شحنًا سريعًا للغاية ، واجتاز شحنًا بين الكاثود والأنود في أسرع وقت ممكن ، جعل البطاريات موثوقة على الرغم من كونها مشحونة بشكل متكرر.

الليثيوم معدن ناعم جدا ، لكنه لا يتصرف كما هو متوقع أثناء تشغيل البطارية. إن الضغط المتصاعد الذي يحدث بشكل كبير أثناء شحن البطارية وتفريغها ينتج أصابعًا مجهرية من الليثيوم تدعى dendrites لملء العيوب المجهرية المسبقة والتي لا يمكن تجنبها - الأخاديد والمسام والخدوش - عند السطح البيني بين أنود الليثيوم وفاصل الإلكتروليت الصلب.

خلال ركوب الدراجات المتواصل ، يمكن لهذه التشعبات أن تشق طريقها إلى الطبقة الكهربية الصلبة ، وفي النهاية عبرها ، التي تفصل ماديًا عن القطب الموجب والكاثود. مرة واحدة تصل إلى dendrite الكاثود ، ودوائر قصيرة الجهاز وفشل ، وكارثية في كثير من الأحيان. ويركز بحث هربرت وهاكني على كيفية تخفيف الليثيوم للضغط الذي يتطور بشكل طبيعي أثناء شحن بطارية الحالة الصلبة وتفريغها.

يوثق عملهم التصرف اللافت للنظر لليثيوم في مقاييس طول الغواصات - حيث ينقسم إلى أصغر أصناف الليثيوم والتي يمكن القول بأنها أكثرها تشويشًا. من خلال إزاحة أفلام الليثيوم باستخدام مسبار من الماس لإزالة تشوه المعدن ، يستكشف الباحثون كيفية تفاعل المعدن مع الضغط. وتؤكد النتائج التي توصلوا إليها قوة عالية غير متوقعة من الليثيوم في المقاييس صغيرة الطول التي أبلغ عنها في وقت سابق من هذا العام باحثون في شركة Cal Tech.

يبني هربرت وهاكني على هذا البحث من خلال تقديم تفسير ميكانيكي افتتاحي لقوة الليثيوم العالية المدهشة.

أظهرت قدرة الليثيوم على تشتيت أو إعادة ترتيب ذراتها أو أيوناتها في محاولة لتخفيف الضغط الذي يفرضه طرف إيندينتر على الباحثين أهمية السرعة التي يتشوه بها الليثيوم (وهو ما يرتبط بمدى سرعة شحن وتفريغ البطاريات) ، وكذلك آثار العيوب والانحرافات في ترتيب أيونات الليثيوم التي تشكل الأنود.

الحفر لفهم سلوك الليثيوم

في مقال "Nanoindentation من أفلام الليثيوم عالية الكثافة التي ترسبت بالبخار: معامل المرونة" ، يقيس الباحثون الخصائص المرنة لليثيوم لتعكس التغيرات في التوجه المادي لأيونات الليثيوم. تؤكد هذه النتائج على ضرورة دمج الخصائص المرنة المعتمدة على الليثيوم في جميع أعمال المحاكاة المستقبلية. كما يقدم هربرت وهاكني أدلة تجريبية تشير إلى أن الليثيوم قد يكون لديه قدرة معززة على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى حرارة على طول المقاييس التي تقل عن 500 نانومتر.

في المقالة التالية ، "Nanoindentation للأفلام الليثيوم عالية النقاء التي ترسبت بالبخار: ترشيد ميكانيكي للتدفق بوساطة الانتشار" ، ووثيقة هيربرت وهاكني Lithium ذات قوة عالية بشكل ملحوظ على طول المقاييس أقل من 500 نانومتر ، وأنها توفر إطارها الأصلي ، والذي يهدف إلى شرح كيفية التحكم في قدرة الليثيوم على التحكم في الضغط عن طريق الانتشار ومعدل تشوه المادة.

وأخيرًا ، في "Nanoindentation للأغشية الليثيوم عالية الكثافة التي ترسبت بالبخار: ترشيد آلي للانتقال من الانتشار إلى التدفق الخاضع للوساطة" ، يقدم المؤلفون نموذجًا إحصائيًا يشرح الظروف التي يمر فيها الليثيوم بمرحلة انتقال مفاجئة تزيد من تسهيله القدرة على تخفيف الضغط. كما أنها توفر نموذجًا يربط مباشرةً بين السلوك الميكانيكي للليثيوم وأداء البطارية.

يقول هيربرت: "إننا نحاول أن نفهم الآليات التي يخفف منها الليثيوم الضغط على نطاقات طويلة تتناسب مع العيوب البينية". إن تحسين فهمنا لهذه القضية الأساسية سيمكن مباشرة من تطوير واجهة ثابتة تعزز أداء ركوب الدراجات الآمن على المدى الطويل والمرتفع.

يقول هربرت: "أتمنى أن يكون لعملنا تأثيرًا كبيرًا على الاتجاه الذي يحاول الأشخاص تطويره لأجهزة تخزين الجيل التالي".