فرآیندهایی که قبلاً دیده نشده بودند، مسیر عملکرد باتری قابل شارژ بهتر را نشان می دهند

10 نوامبر 2022 -توسط لوئیس یوکسولیان، دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شامپین

محقق پسادکتری علوم و مهندسی مواد، Wenxiang Chen، اولین نویسنده مطالعه جدیدی است که تکنیک های تصویربرداری رایج در سرامیک و متالورژی را در تحقیقات باتری های یونی قابل شارژ به کار می برد. اعتبار: فرد زویکی

برای طراحی باتری های یونی قابل شارژ بهتر، مهندسان و شیمیدانان دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign برای ترکیب تکنیک جدید میکروسکوپ الکترونی و داده کاوی برای مشخص کردن بصری مناطق تغییرات شیمیایی و فیزیکی در باتری های یونی همکاری کردند.

مطالعه‌ای که توسط استادان علم و مهندسی مواد، کیان چن و جیان مین زو، رهبری می‌شود، اولین مطالعه‌ای است که دامنه‌های تغییر یافته درون باتری‌های یونی قابل شارژ را در مقیاس نانو ترسیم کرده است – افزایش وضوح ۱۰ برابری یا بیشتر نسبت به روش‌های اشعه ایکس و نوری فعلی.

این یافته ها در مجله Nature Materials منتشر شده است.

این تیم گفت که تلاش‌های قبلی برای درک مکانیسم‌های کار و خرابی مواد باتری عمدتاً بر روی تأثیر شیمیایی چرخه‌های شارژ مجدد متمرکز بوده است، یعنی تغییرات در ترکیب شیمیایی الکترودهای باتری.

یک روش جدید میکروسکوپ الکترونی، به نام میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی چهار بعدی، به تیم اجازه می دهد تا از یک کاوشگر بسیار متمرکز برای جمع آوری تصاویری از عملکرد داخلی باتری ها استفاده کند.

Wenxiang Chen، محقق فوق دکترا و نویسنده اول، گفت: «در طول کار باتری‌های یونی قابل شارژ، یون‌ها در داخل و خارج الکترودها پخش می‌شوند و باعث ایجاد فشار مکانیکی و گاهی اوقات شکستگی می‌شوند.» با استفاده از روش جدید میکروسکوپ الکترونی، می‌توانیم برای اولین بار حوزه‌های نانومقیاس کرنش را در مواد باتری ضبط کنیم.»

کیان چن گفت این نوع تبدیل‌های ناهمگونی ریزساختاری به طور گسترده در سرامیک و متالورژی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما تا این مطالعه در مواد ذخیره‌سازی انرژی مورد استفاده قرار نگرفته‌اند.

زو گفت: «روش 4D-STEM برای ترسیم تغییرات غیرقابل دسترس بلورینگی و جهت گیری دامنه در داخل مواد حیاتی است.

این تیم مشاهدات 4D-STEM خود را با مدل‌سازی محاسباتی به رهبری پروفسور علوم مکانیک و مهندسی Elif Ertekin مقایسه کرد تا این تغییرات را شناسایی کند.

کیان چن گفت: «داده کاوی ترکیبی و داده‌های 4D-STEM الگویی از هسته‌زایی، رشد و فرآیند ادغام درون باتری‌ها را با توسعه حوزه‌های نانومقیاس تیره نشان می‌دهد.» این الگوها با استفاده از داده‌های پراش اشعه ایکس که توسط استاد علم و مهندسی مواد و دانیل شومیکر یکی از نویسندگان مطالعه جمع‌آوری شده بود، تأیید شد.

کیان چن قصد دارد این تحقیق را با ساختن فیلم هایی از این فرآیند – چیزی که آزمایشگاه او به خوبی برای آن شناخته شده است – ادامه دهد.

پل براون، استاد علم و مهندسی مواد، مدیر آزمایشگاه تحقیقات مواد و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «تأثیر این تحقیق می‌تواند فراتر از سیستم باتری یونی چند ظرفیتی باشد که در اینجا مورد مطالعه قرار گرفت. مفهوم، اصول و چارچوب توصیفی توانمند برای الکترودهای انواع باتری‌های لیتیوم یون و پس از لیتیوم یون و سایر سیستم‌های الکتروشیمیایی از جمله سلول‌های سوختی، ترانزیستورهای سیناپسی و الکتروکرومیک اعمال می‌شود.”

اندرو گیورث، محققین ایلینوی، از شیمی؛ هونگ یانگ، مهندسی شیمی و بیومولکولی؛ و رایان استفنز محقق شل نیز در این مطالعه شرکت کردند.