7 اکتبر 2021، توسط دانشگاه اسلو -اعتبار: CC0 دامنه عمومی
هنگامی که یون‌های لیتیوم به سرعت از طریق باتری تحریک می‌شوند، ممکن است به دام افتاده و به فلز لیتیوم تبدیل شوند و دیگر قادر به حرکت در باتری نباشند. تصور کنید که می‌توانید در هنگام توقف برای یک میان وعده سریع خودروی برقی خود را سوخت گیری کنید یا هنگام مسواک زدن موبایل خود را دوباره پر کنید.
دیوید ورگ، مهندس ارشد از مرکز علوم مواد و فناوری نانو در دانشگاه اسلو، می‌گوید: «شارژ سریع نوعی از جام مقدس است. این چیزی است که هرکسی که دارای باتری لیتیوم یونی است، می‌تواند قادر به انجام آن باشد.» در داخل باتری، مواد شیمیایی پیچیده‌ای وجود دارد که می‌تواند به سرعت شارژ آن حساس باشد. اوضاع می‌تواند اشتباه پیش برود.
Wragg به Titan.uio.no می‌گوید: «از دست دادن ظرفیت بحرانی ترین مورد است. می‌توان باتری‌هایی با ظرفیت بسیار بالا ساخت که به شما امکان می‌دهد ماشین برقی خود را 1000 کیلومتر رانندگی کنید، اما پس از چند بار شارژ و تخلیه آن، تقریباً نیمی از این ظرفیت و برد را از دست می‌دهید.
همه باتری‌های قابل شارژ با گذشت زمان خراب می‌شوند، اما این اثر منفی هنگامی که باتری در معرض شارژ سریع قرار می‌گیرد بسیار قوی‌تر می‌شود. Wragg یکی از محققان پشت مطالعه‌ای است که دلیل آن را نشان می‌دهد.»
آن‌ها توانسته‌اند ببینند که یون‌های لیتیوم، که برای ظرفیت باتری بسیار مهم هستند، به فلز لیتیوم خالص تبدیل می‌شوند و دیگر مفید نیستند. و مهم‌تر از همه این اثر با شارژ سریع بسیار افزایش می‌یابد.
در یک طرف باتری آند و در طرف دیگر کاتد قرار دارد. هر دو این الکترودها می‌توانند الکترون‌ها و یون‌ها را ذخیره کنند. بین آن‌ها یک جداکننده و یک الکترولیت مایع وجود دارد که به یون‌ها از یک طرف به طرف دیگر کمک می‌کند. هنگامی که از جریان ذخیره شده در آن‌جا استفاده می‌کنید، یون‌ها و الکترون‌ها از یک طرف باتری به طرف دیگر حرکت می‌کنند و هنگام شارژ مجدد دوباره به عقب برمی‌گردند.
«آن‌ها این را مکانیسم صندلی گهواره‌ای می‌نامند، جایی که شما آهن‌ها و الکترون‌ها را از یک سو به طرف دیگر تکان می‌دهید.»
Wragg می‌گوید: «وقتی تازه هستند و کاملاً کار می‌کنند ، باتری‌ها می‌توانند مقدار مشخصی یون را ذخیره کنند و این ظرفیت کل سیستم است.»
هنگامی که یون‌ها، که قبلاً به جلو و عقب حرکت می‌کردند، به فلز تبدیل می‌شوند، دیگر قادر به حرکت در باتری نیستند. یون‌ها شارژ شده و می‌توانند به جلو و عقب حرکت داده شوند. اتم‌های فلزی خنثی هستند و نمی‌توانند در هر دو جهت تحریک شوند.
Wragg ادامه می‌دهد: «هنگامی که لیتیوم به فلز تبدیل می‌شود دیگر برای واکنش الکتروشیمیایی قابل دسترسی نیست. این ظرفیت به طور کامل از بین می‌رود.»
این امر در تمام باتری‌های لیتیوم یونی قابل شارژ هنگامی اتفاق می‌افتد که آن‌ها را به اندازه کافی بارها شارژ کرده باشید. اما چرا وقتی سریع شارژ می‌کنید بدتر می‌شود؟ در حین شارژ سریع، تعداد مشابهی از یون‌ها در سیستم حرکت می‌کنند، اما بسیار سریع‌تر. همه یون‌ها باید در مدت زمان بسیار کوتاهی جای خود را در آند پیدا کنند.
Wragg می‌گوید: «هنگامی که با دو برابر سرعت شارژ می‌کنید، باید مقدار یکسانی از یون‌ها و الکترون‌ها را در نصف زمان حرکت دهید. اگر چهار یا شش برابر سریع‌تر شارژ کنید، طبیعتاً حتی دشوارتر خواهد بود.»
Wragg ادامه می‌دهد: «این دشوار است زیرا هنگامی که سعی می‌کنید یون‌های لیتیوم را به سرعت در مواد الکترود جامد قرار دهید، محدودیت‌های خاصی در شیمی وجود دارد.» آندها، که در حین شارژ یون دریافت می‌کنند، از گرافیت ساخته شده‌اند که از لایه‌های نازک کربن تشکیل شده است. آند از چندین میلیون لایه تشکیل شده است.
«گرافیت خالی مانند یک بورد است و یون‌های لیتیوم مانند توپ‌های کوچکی هستند که به فضاهای بین کارت‌ها هل داده می‌شوند. مشکل این است که شما می‌توانید تنگناها را در هنگام فشار دادن یون‌های لیتیوم بین لایه‌های گرافیت ایجاد کنید.
«شما همچنان یون‌ها را به داخل هل می‌دهید، اما مگر اینکه یون‌های موجود در بین لایه‌ها بتوانند عمیق‌تر به داخل پشته وارد شوند، جایی برای ورود یون‌های جدید وجود ندارد. هنگامی که باتری را به سرعت شارژ می‌کنید، لیتیوم در کل پخش نمی‌شود. الکترود گرافیتی. فقط نزدیک به الکترولیت گیر می‌کند، جایی که آند و کاتد از هم جدا می‌شوند.»
به ویژه در اینجا، در این تنگناها، یون‌های باردار تبدیل به اتم‌های خنثی می‌شوند و در توده‌های کوچک فلز جمع می‌شوند. یون‌ها همزمان با اعمال انرژی حرکت بیشتری نمی‌کنند. این انرژی اضافی ممکن است یون را به اتمی خنثی و پایدار تبدیل کند.
«به آن آبکاری لیتیوم می‌گویند. این زمانی است که یون‌های لیتیوم، به جای اینکه در شکل یونی بمانند، تبدیل به فلز لیتیوم می‌شوند. این مورد از مدت‌ها قبل شناخته شده است، اما قبلاً در باتری کارکرده مشاهده نشده بود.»
با این حال، ورگ و همکارانش موفق به انجام این کار شده‌اند. آن‌ها با استفاده از اشعه ایکس هر 25 میلی ثانیه باتری‌ها را بارها و بارها اسکن می‌کردند در حالی که به سرعت در سرعت‌های مختلف شارژ می‌شدند. این اطلاعات زیادی در مورد آن‌چه در سطح اتمی اتفاق می‌افتد به آن‌ها داد.
