بهتر، سریع تر، قوی تر: ساخت باتری هایی که رونق نمی گیرند

باتری های یون لیتیوم دارای وعده های باور نکردنی برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی هستند، اما فرار هستند. همه ما اخبار مربوط به باتری های یون لیتیوم را در تلفن ها شنیدیم - مهمتر از همه سامسونگ کهکشان 7 - باعث شد تا تلفن ها آتش بگیرند.

اکثر مشکلات ناشی از استفاده از الکترولیت مایع قابل اشتعال در داخل باتری است. یک روش این است که از یک الکترولیت جامد غیر قابل اشتعال با یک الکترود فلزی لیتیوم استفاده کنید. این باعث می شود که انرژی باتری افزایش یابد و در عین حال احتمال آتش سوزی کاهش یابد.

اساسا، مقصد ساختن نسل بعدی باتری های حالت جامد است که رونق نمی گیرند. سفر به اساسا لیتیوم را درک می کند.

اریک هربرت، استادیار علوم و مهندسی مواد در دانشگاه تکنولوژی میشیگان می گوید: "همه فقط به اجزای ذخیره سازی انرژی باتری نگاه می کنند. "تعداد بسیار کمی از گروه های تحقیق در درک عناصر مکانیکی علاقه مند هستند. اما کم و زیاد شدن، ما کشف می کنیم که خواص مکانیکی لیتیوم خود ممکن است قطعه کلیدی پازل باشد."

محققان فناوری میشیگان به طور قابل ملاحظه ای برای به دست آوردن درک اساسی لیتیوم با نتایج منتشر شده امروز در یک سری مقاله دعوت شده در مجله تحقیقات مواد، که به طور مشترک توسط انجمن تحقیقات مواد و دانشگاه کمبریج منتشر شده است. هربرت و استفن هاکی، استاد علوم و مهندسی مواد و Violet Thole، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در Michigan Tech، نانسی Dudney در آزمایشگاه ملی Oak Ridge و Sudharshan Phani در مرکز تحقیقات پیشرفته متالورژی پودر و مواد جدید، به اشتراک گذاری نتایج تاکید بر اهمیت رفتار مکانیکی لیتیوم در کنترل عملکرد و ایمنی باتری های نسل بعدی است.

مانند یک چرخه یخ زدایی که باعث آسیب رساندن به بتن می شود، dendrites لیتیوم به باتری ها آسیب می رساند

لیتیم یک فلز بسیار واکنشی است که باعث می شود که به سوء رفتار مغرور شود. اما در ذخیره انرژی نیز بسیار خوب است. ما می خواهیم تلفن های ما (و رایانه ها، تبلت ها و سایر دستگاه های الکترونیکی) برای شارژ با بیشترین سرعت ممکن، و بنابراین تولید کنندگان باتری با فشار دوگانه مواجه می شوند: باتری هایی که بسیار سریع شارژ می شوند، با اتمام شارژ بین کاتد و آند به همان سرعتی که ممکن است باتری های قابل شارژ را باطری قابل اطمینان نشان می دهد.

لیتیوم یک فلز بسیار نرم است اما در عمل باتری عمل نمی کند. فشار مونتاژ که بطور جداگانه هنگام شارژ و تخلیه باتری اتفاق می افتد، باعث می شود انگشتان میکروسکوپی لیتیوم به نام دندریت ها برای پر کردن نقص های میکروسکوپی موجود و غیر قابل اجتناب - شیارها، منافذ و خراش ها - در رابط بین یون لیتیوم و جدا کننده الکترولیت جامد.

در طول دوچرخه سواری ادامه می یابد، این dendrites می توانند راه خود را به و در نهایت از طریق، لایه الکترولیت جامد که از لحاظ فیزیکی اندود و کاتد جدایی را متوقف می کنند. هنگامی که یک دندریت به کاتد می رسد، مدار کوتاه و ناکافی، اغلب فاجعه بار است. تحقیقات هربرت و هیکنی در مورد چگونگی کاهش فشار لیتیم است که به طور طبیعی در طول شارژ و تخلیه یک باتری حالت جامد ایجاد می شود.

کار آنها رفتار قابل توجهی از لیتیوم را در مقیاس طول زیرمیکرون نشان می دهد - حفاری به کوچکترین و احتمالا بیشتر ویژگی های خرد کننده لیتیوم. محققان با کشف فیلم های لیتیوم با یک پروب الماسی به نوبه خود به تغییر شکل فلز، محققان بررسی می کنند که چگونه فلز به فشار واکنش نشان می دهد. نتایج آنها نشان می دهد که قدرت غیر منتظره لیتیوم در مقیاس های کوچک که در اوایل امسال توسط محققان Cal Tech گزارش شده است، تایید شده است.

هربرت و هیکنی در این تحقیق با ارائه توضیح تشویقی و مکانیکی از قدرت فوق العاده بالا، لیتیوم تولید می کنند.

توانایی لیتیوم برای انتشار یا تنظیم مجدد اتم ها یا یون های خود در تلاش برای کاهش فشار ناشی از نوک اندور، نشان داد که اهمیت سرعت لیتیوم تغییر شکل یافته است (که مربوط به چگونگی شارژ و تخلیه باتری ها می شود) و همچنین اثرات نقص و انحراف در ترتیب یون های لیتیوم که آنند را تشکیل می دهند.

حفاری برای درک رفتار لیتیوم

محققان در مقاله "Nanoindentation از فیلم های لیتیوم ذخیره شده با بخار خلوص: مدول الاستیک، محاسبه خواص کششی لیتیوم برای نشان دادن تغییر در جهت جسمی یون های لیتیوم است. این نتایج بر ضرورت ترکیب خواص الاستیک وابسته به جهت گیری لیتیوم در تمام کارهای شبیه سازی آینده تاکید می کند. هربرت و هیکنی همچنین شواهد تجربی را ارائه می دهند که نشان می دهد لیتیوم توانایی افزایش توان تبدیل انرژی مکانیکی به گرما در مقیاس طول کمتر از 500 نانومتر دارد.

در مقاله ای که به ذکر است، "نانو ظهور فیلم های لیتیوم سپرده با خلوص بالا: یک تصحیح مکانیکی جریان جریان متخلخل،" Herbert and Hackney سند لیتیوم بسیار بالا با طول کمتر از 500 نانومتر و چارچوب اصلی خود را ارائه می دهند، که هدف آن توضیح این است که چگونه توانایی لیتیوم برای مدیریت فشار توسط انتشار و سرعت که در آن مواد تغییر شکل داده شده کنترل می شود.

در نهایت، در "نانو انداختن فیلم های لیتیوم پوشیده شده از بخار با شدت خلوص: یک منطق مکانیکی انتقال از انتشار به جریان متمرکز بر جابجایی"، نویسندگان ارائه یک مدل آماری است که توضیح می دهد که در شرایطی که لیتیوم تحت یک انتقال ناگهانی است که بیشتر آن را تسهیل می کند توانایی کاهش فشار. آنها همچنین مدل هایی را ارائه می دهند که رفتار مکانیکی لیتیوم را به عملکرد باتری مرتبط می کند.

هربرت می گوید: "ما در حال تلاش برای درک مکانیسم هایی هستیم که لیتیوم موجب کاهش فشار در مقیاس های طولی می شود که با نقص های مواجهه منطبق است." بهبود درک ما از این مسئله اساسی به طور مستقیم توسعه یک رابط پایدار را قادر می سازد که عملکرد دوچرخه سواری ایمن، بلندمدت و با سرعت بالا را ارتقا دهد.

هربرت می گوید: "من امیدوارم که کار ما تأثیر قابل توجهی در جهت افرادی که سعی در توسعه دستگاه های ذخیره سازی نسل بعدی دارند، تاثیر بگذارد."