الطبقة العازلة المتسربة تقلل من عمر البطارية – عالم الفيزياء

الطبقة العازلة المتسربة تقلل من عمر البطارية – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 13 نوفمبر 2023 الساعة 10:31 صباحًا

يرتدي ياوبين شو قناعًا وقفازات، ويقوم بإدخال عينة في المجهر الإلكتروني النافذ لفحص وظيفة البطارية القابلة لإعادة الشحن
يقوم عضو فريق أبحاث البطارية، ياوبين شو، بإدخال عينة في المجهر الإلكتروني النافذ لفحص وظيفة البطارية القابلة لإعادة الشحن. (بإذن من: أندريا ستار | المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ)

لقد توصلت القياسات المباشرة الأولى للرواسب الرقيقة التي يفترض أنها عازلة والتي تتشكل في بطاريات الليثيوم أيون القديمة القابلة لإعادة الشحن إلى نتيجة مفاجئة: فالرواسب ليست عازلًا مثاليًا على الإطلاق. وفقا لباحثين في وزارة الطاقة الأمريكية المختبر الوطني شمال غرب المحيط الهادئ (PNNL)، طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)، كما هو معروف، عرضة لـ "تسريب" الإلكترونات - وهو اكتشاف قد يساعد العلماء على تطوير بطاريات تدوم لفترة أطول.

تبدأ طبقة SEI في التشكل في المرة الأولى التي تمر فيها البطارية القابلة لإعادة الشحن بدورة شحن. وبمرور الوقت، تزداد سماكة الطبقة تدريجيًا، ويُعتقد أن حالتها مرتبطة باستقرار أداء البطارية. في السابق، افترض العلماء أن SEI كان عازلًا كهربائيًا، لكن خصائصه الفيزيائية الدقيقة - بما في ذلك سلوكه الكهربائي - كانت غير معروفة لأنه لم تكن هناك طريقة مباشرة لوصفها.

الباحثون بقيادة تقنيي البطاريات تشونغمين وانغ و وو شو لقد عالجوا الآن هذه الفجوة المعرفية عن طريق دمج مسبار نحاسي نانوي الحجم مباشرة في خلية بطارية لإنتاج فيلم SEI على النحاس أو الليثيوم. ثم قاموا بنقل الفيلم إلى فى الموقع انحياز المجهر الإلكتروني النافذ وقياس خواصه الكهربائية.

يؤدي تسرب الإلكترونات إلى تقليل عمر البطارية

أظهرت النتائج أنه مع زيادة الجهد الكهربي في البطارية، فإن طبقة SEI "تتسرب" من الإلكترونات، مما يقلل من عمر البطارية. يقول الباحثون إن هذا السلوك الشبيه بأشباه الموصلات والذي لم يتم ملاحظته حتى الآن يرجع بشكل أساسي إلى المكونات المحتوية على الكربون في طبقة SEI. وتشير هذه النتيجة إلى أن التقليل من هذه المكونات يعني أن البطاريات ستستمر لفترة أطول.

لدعم هذه النتائج، قام المتعاونون مع فريق PNNL في جامعة تكساس ايه اند ام (TAMU) أنشأ نموذجًا نظريًا للكهارل على سطح قطب كهربائي من معدن الليثيوم. بقيادة خورخي سيميناريو و بيرلا بالبوينا، استخدم أعضاء فريق TAMU بعد ذلك عمليات المحاكاة الحسابية لتقييم كيفية تطور الإلكتروليت كيميائيًا، مع التركيز على كيفية تسبب التفاعلات الكيميائية والفيزيائية بين الإلكتروليت والقطب في تكوين SEI.

يوضح سيميناريو: "باستخدام تقنيات فيزياء الكم واسعة النطاق، اختبرنا تركيبات الإلكتروليتات، وقمنا بتقييم كيميائيتها وتشكلها لنمو SEI، وحسبنا خصائص الجهد الحالي الخاصة بها". "إن النتائج المثيرة للإعجاب، حيث اتبعت النتائج النظرية والتجريبية نفس الاتجاهات، توفر طريقة لتحديد أفضل الشوارد لاستخدامها في بطاريات معدن الليثيوم."

تبادل مثمر للأفكار

يضيف بالبوينا أن نتائجهم تسمح لهم باقتراح إلكتروليتات مرشحة محتملة لزملائهم التجريبيين بناءً على المبادئ الأولى. وعلى العكس من ذلك، يمكنهم أيضًا التحقق من المواد البديلة المحتملة باستخدام نموذجهم قبل أن يختبرها الفريق التجريبي في المختبر. وبفضل ما يسميه بالبوينا "تضافر الكيمياء التجريبية مع النظرية الأساسية في دراسة المواد"، يجب أن يكون لنتائج الفريق تطبيقات للبحث في البطاريات، وأجهزة الاستشعار، والأجهزة الطبية الحيوية، والإلكترونيات النانوية والجزيئية، بالإضافة إلى الحوسبة العصبية.

تخطط Seminario وBalbuena لتوسيع نطاق أعمالهما أب أولا دراسات لتشمل جميع مكونات بطاريات الليثيوم أيون، وستوسع أيضًا تحليلاتها لتشمل كيميائيات أخرى حتى يتمكنوا من حل آثار التحلل التي تنشأ أثناء تدوير البطارية بشكل كامل.

ومن جانبهم، سوف يبحث وانج وزملاؤه في كيفية توزيع المواد المختلفة في طبقة SEI وارتباطها مكانيًا، وكيف يؤثر ذلك على الخصائص الفيزيائية للطبقة. يقول وانغ: "سننشئ أيضًا علاقة مباشرة بين خصائص SEI وكيمياء المنحل بالكهرباء السائل ونهدف إلى تصميم SEI من خلال تحسين تكوين المنحل بالكهرباء لصنع بطاريات أفضل". عالم الفيزياء.

الدراسة الحالية مفصلة في الطاقة الطبيعة.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء