فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی پاک و کارآمد برای ایجاد زیرساخت انرژی تجدیدپذیر ضروری هستند.باتری‌های لیتیوم یونی در حال حاضر در دستگاه‌های الکترونیکی شخصی غالب هستند و نامزدهای امیدوارکننده‌ای برای ذخیره‌سازی قابل اعتماد در سطح شبکه و وسایل نقلیه الکتریکی هستند.با این حال، توسعه بیشتر برای بهبود نرخ شارژ و طول عمر قابل استفاده آنها مورد نیاز است.
برای کمک به توسعه چنین باتری‌هایی با شارژ سریع‌تر و ماندگارتر، دانشمندان باید بتوانند فرآیندهایی را که در یک باتری در حال کار رخ می‌دهد، درک کنند تا محدودیت‌های عملکرد باتری را شناسایی کنند.در حال حاضر، تجسم مواد باتری فعال در حین کار به تکنیک‌های پیچیده اشعه ایکس سنکروترون یا میکروسکوپ الکترونی نیاز دارد که می‌تواند دشوار و پرهزینه باشد و اغلب نمی‌تواند به اندازه کافی سریع تصویربرداری کند تا تغییرات سریعی را که در مواد الکترود شارژ سریع رخ می‌دهد، ثبت کند.در نتیجه، دینامیک یون در مقیاس طول ذرات فعال منفرد و در نرخ‌های شارژ سریع تجاری مرتبط تا حد زیادی ناشناخته باقی می‌ماند.
محققان دانشگاه کمبریج با توسعه یک تکنیک میکروسکوپ نوری مبتنی بر آزمایشگاه ارزان قیمت برای مطالعه باتری‌های لیتیوم یون بر این مشکل غلبه کرده‌اند.آنها ذرات منفرد Nb14W3O44 را مورد بررسی قرار دادند که یکی از سریعترین مواد آند شارژ کننده تا به امروز است.نور مرئی از طریق یک پنجره شیشه‌ای کوچک به باتری فرستاده می‌شود و به محققان این امکان را می‌دهد تا فرآیند دینامیکی درون ذرات فعال را در زمان واقعی و تحت شرایط غیرتعادلی واقعی تماشا کنند.این شیب غلظت لیتیوم جلویی را نشان داد که از میان ذرات فعال منفرد حرکت می‌کرد و منجر به فشار داخلی شد که باعث شکستگی برخی از ذرات شد.شکستگی ذرات یک مشکل برای باتری ها است، زیرا می تواند منجر به قطع الکتریکی قطعات شود و ظرفیت ذخیره سازی باتری را کاهش دهد.دکتر کریستوف اشندرمن از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج می‌گوید: «چنین رویدادهای خود به خودی پیامدهای شدیدی برای باتری دارند، اما تا کنون هرگز نمی‌توانستند آن را در زمان واقعی مشاهده کنند.
قابلیت‌های بازده بالای تکنیک میکروسکوپ نوری، محققان را قادر می‌سازد تا جمعیت زیادی از ذرات را تجزیه و تحلیل کنند و نشان داد که ترک خوردگی ذرات با نرخ‌های بالاتر جداشدگی و در ذرات طولانی‌تر رایج‌تر است.آلیس مری ودر، نویسنده اول، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه و دپارتمان شیمی کاوندیش کمبریج می‌گوید: «این یافته‌ها اصول طراحی مستقیماً قابل اجرا را برای کاهش شکست ذرات و محو شدن ظرفیت در این دسته از مواد ارائه می‌دهند.
با حرکت رو به جلو، مزایای کلیدی این روش - از جمله جمع‌آوری سریع داده‌ها، وضوح تک ذره، و قابلیت‌های توان عملیاتی بالا - امکان کاوش بیشتر در مورد آنچه در هنگام خرابی باتری‌ها روی می‌دهد و نحوه جلوگیری از آن را فراهم می‌کند.این تکنیک را می توان برای مطالعه تقریباً هر نوع ماده باتری به کار برد و آن را به قطعه مهمی از پازل در توسعه باتری های نسل بعدی تبدیل می کند.
زمان ارسال: سپتامبر 17-2022