پرتوی ایکس آسیب الکترودهای باتری لیتیوم یونی را نشان می‌دهد

0
2
الکترودهای باتری
الکترودهای باتری

سرعت رشد تکنولوژی در زمانه ما خیلی پایین است. در حالیکه ماشین‌های الکتریکی می‌توانند نیاز حمل و نقل روزانه همه کلان شهرها را برطرف کنند، هنوز هم پمپ بنزین‌ها بیشتر از ایستگاه‌های شارژ ماشین است. پر کردن باک ماشین بنزینی و گازی هم خیلی زودتر از شارژ ماشین برقی انجام می‌شود.

برای حل این مشکل باید به باتری‎ها برگردیم. صنعت تولید ماشین‎های الکتریکی برای افزایش ظرفیت شارژ باتری‌های لیتیوم یونی و افزایش تعداد ماشین‌های الکتریکی باید نحوه فرسودگی باتری در طول زمان را از نو مرور کند.

حالا گروهی از محققان دانشگاه پردو تکنیکی برای اینکار ابداع کرده‌اند. این گروه به رهبری کیجی ژائو استادیار مهندسی مکانیک این دانشگاه، یک تکنیک سه بعدی برای تصویربرداری از الکترودهای باتری لیتیوم یونی طراحی کرده‌اند. این تکنیک کاملترین تصویر را از الکترودها به ما می‌دهد و می‎تواند امکان بهسازی باتری‌های گوشی هوشمند و ماشین الکتریکی را فراهم می‌کند.

هوش مصنوعی و پرتوی ایکس

این تکنیک در واقع یک ابزار پرتوی ایکس است که با هوش مصنوعی هدایت می‌شود. این ابزار می‌تواند به صورت خودکار هزاران ذره در الکترودهای باتری لیتیوم یونی را همزمان اسکن کند. دقت ابزار هم تا اتم‌هایی که ذرات را می‌سازند، پیش می‌رود و برای اینکار از الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده می‌کند.

در الکترود یک باتری میلیون‌ها ذره وجود دارد. به کمک این تکنیک، محققان می‌توانند این ذرات را با دقتی بیشتر آنالیز کنند و آنها را در موقعیت‌های مشابه باتری‌های تجاری در دنیای واقعی قرار بدهند. به این ترتیب به راحتی می‌توان تغییر رفتار باتری‌ها را دنبال کرد و شناخت.

در ساختنی بخوانید :
برنامه های تازه گوگل برای افزایش امنیت داده ها

این تحقیق بیشتر روی سطح یک ذره خاص تمرکز می‌کند و از آن آنالیز برای درک کل باتری استفاده می‌کند. می‌بینید که اینجا شکافی واضح وجود دارد: تفاوت زیادی بین یک ذره در مقیاس میکرون و یک باتری در مقیاس بسیار بزرگتر وجود دارد.

درون یک باتری در حال شارژ چه خبر است؟

هربار که یک باتری شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم الکترود مثبت و منفی جلو و عقب می‌روند. این یون‌ها با ذرات الکترودها فعل و انفعالاتی دارند که به مرور زمان ترک خوردن و تخریب آنها می‌شوند. آسیب الکترود هم ظرفیت شارژ باتری را کاهش می‌دهد.

برخورداری همزمان از دوام زیاد و ظرفیت بالا برای یک باتری بسیار سخت است. افزایش ظرفیت باتری معمولا به معنای کاهش دوامش است.

کار این گروه تحقیقاتی برای ترسیم آسیب باتری‌های لیتیوم یونی با این یافته آغاز شد که تخریب ذرات باتری از یک نقطه یا در یک زمان شروع نمی‌شود. برخی ذرات زودتر از بقیه آسیب می‌بینند و خراب می‌شوند.

تیم تحقیقاتی برای بررسی دقیقتر این یافته به یک ابزار جدید نیاز داشت چون روش‌های موجود آسیب در الکترودهای باتری را به صورت کامل تصویربرداری نمی‌کردند.

برای اینکار از تاسیساتی با نام سینکروترون در مرکز تابش سینکروترون اروپا و مرکز تابش سینکروترون دانشگاه استنفورد استفاده شد. این تاسیسات ذراتی را در خود نگه می‌دارند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و تابش‌هایی منعکس می‌کنند که برای تولید تصاویری به نام پرتوهای ایکس سینکروترون استفاده می‌شوند.

برای انجام این آزمایش‎ها از باتری‌های متفاوتی مثل باتری گوشی هوشمند و باتری ساعتی استفاده شد. سپس با کمک تاسیسات سینکروترون امکان اسکن حداکثر ذرات الکترود در این باتری‌ها در یکبار تصویربرداری فراهم شد. در نهایت هم تصاویر پرتوهای ایکس برای آنالیز تولید شدند. نقشه ترک و تخریب سطح ذرات حالا به یک ابزار مرجع برای شناخت سطوح مختلف آسیب در الکترود باتری‌ها تبدیل شده است.

در ساختنی بخوانید :
آموزش ساخت چراغ قوه دستی اضطراری خارق العاده با نوری برابر با ۸۰۰۰ لومن

برای درک اینکه این ترک‌ها چطور روی کارایی باتری تاثیر می‌گذارند، تیم تحقیقاتی نظریه‌ها و ابزارهای محاسباتی مختلفی طراحی کرد. بررسی یکی از این نظریه‌ها نشان داد چون ذرات نزدیک به جایی که یون‌های لیتیوم جلو و عقب کوبیده می‌شوند (که جداکننده نام دارد)، نسبت به ذرات پایین مواد الکترود باتری بیشتر استفاده می‌شوند خیلی زودتر تخریب می‌شوند.
این تنوع در آسیب ذرات الکترود یا تخریب ناهمگن در الکترودهای ضخیم‌تر و در شرایط شارژ سریع، شدیدتر می‌شود.

این یافته‌ها نشان می‌دهد ظرفیت باتری به تعداد ذرات درون باتری بستگی ندارد. چیزی که مهم است نحوه استفاده از یون‌های لیتیوم است.

سازنده‌های باتری لیتیوم یونی برای گوشی هوشمند و ماشین الکتریکی قرار نیست از این ابزار برای آنالیز باتری‌هایشان استفاده کنند. هر چه نباشد پای تاسیسات علمی نظیر سینکروترون در میان است. بلکه می‌توانند از اطلاعات به دست آمده توسط این تکنیک برای ساخت باتری‌های بادوامتر استفاده کنند. محققان نیز قصد دارند مطالعاتشان را با تمرکز بر نحوه ایجاد آسیب و تاثیرش روی کارایی باتری‌های تجاری ادامه بدهند.

منبع