محققان حرکت یون لیتیوم را در باتری‌های شارژ سریع دنبال می‌کنند

حرکت یون‌های لیتیوم

تیمی از دانشمندان به سرپرستی آزمایشگاه ملی بُرُوکهاوِن (آزمایشگاه تجربی) و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، در زمان واقعی چگونگی حرکت یون لیتیوم در لیتیوم تیتانات (LTO) یک ماده الکترود باتری با شارژ سریع از لیتیوم، تیتانیوم و اکسیژن را ثبت کردند. آن‌ها دریافتند که ترتیب‌های واپیچیده لیتیوم و اتم‌های اطراف آن در “واسطه‌های “LTO (ساختارهای LTO با تمرکز لیتیوم بین حالت‌های اولیه و انتهای آن)” یک مسیر سریع را برای حمل و نقل یون‌های لیتیوم فراهم می‌نماید. گزارش آن‌ها که در نشریه ساینس منتشر شده است، می‌تواند بینشی در مورد بهبود مواد باتری برای شارژ سریع خودروهای برقی داشته باشد.

باتری‌های یون لیتیومی توسط جابه‌جایی یون لیتیوم‌ها بین کاتد و آند از طریق یک الکترولیت کار می‌کنند. گرافیت معمولا در آند مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما LTO جایگزین مناسبی برای شارژرهای سریع است، زیرا می‌تواند لیتیوم یون‌ها را بدون آسیب دیدن از طریق آب‌کاری لیتیوم به سرعت سازگار سازد. اما همان که LTO، لیتیوم را سازگار می‌کند، از فاز اصلی خود به فاز نهایی که در آن رسانایی لیتیوم بسیار ضعیفی دارد، می‌رسد. بنابراین، دانشمندان در مورد این‌که LTO چگونه می‌تواند الکترود شارژر سریع باشد، دچار شک و شبهه شدند.

ردیابی مهاجرت یون‌ها

در این مطالعه دانشمندان توانستند با استفاده از یک سلول الکتروشیمیایی که درون یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) فعالیت می کند، مهاجرت یون‌های لیتیوم را در زمان واقعی ردیابی کنند. این تحقیق، تیم را قادر می‌سازد تا طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترونی (EELS) را در حین شارژ و تخلیه باتری هدایت کند. در طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترونی (EELS)، تغییر انرژی الکترون‌ها پس از اینکه آن‌ها با یک نمونه در تعامل قرار گرفتند، اندازه‌گیری می‌شود تا اطلاعات مربوط به حالات شیمیایی موضعی نمونه را نشان دهد. علاوه بر این‌که یون‌های لیتیومی بسیار حساس هستند، طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترون (EELS)، هنگامی که در میکروسکوپ انتقال الکترون (TEM) عمل آورده می‌شود، وضوح بالایی در هر دو مکان و زمان مورد نیاز برای ضبط کردن حمل یون در نانوذرات فراهم می‌کند.

ساخت چرخه سلولی

ییمی ژو، یکی از نویسندگان این تحقیق گفت: “تیم برای ایجاد سلول عملکردی الکتروشیمیایی با یک چالش چندجانبه روبه‌رو بوده است؛ ساخت چرخه سلولی مانند یک باتری معمولی، در حالی‌که باید آن‌قدر کوچک می‌بود که درون فضای میلیمتری ستون TEM قرار می‌گرفت. “وی همچنین ادامه داد: “برای اندازه‌گیری سیگنال‌های EELS از لیتیوم، نمونه باید بسیار نازک باشد، حتی فراتر از آن‌چه که معمولا برای شفافیت الکترون‌های کاوش‌گر در TEMها لازم است.”

تجزیه و تحلیل این تیم نشان داد که LTO تنظیمات واسطه‌ای فراپایداری دارد که در آن اتم‌ها به طور موضعی در ترتیب معمول خود نیستند. این واپیچیدگی‌های “چند قطبی” موانع انرژی را کاهش می‌دهد، و مسیری را که طی آن یون‌های لیتیومی می‌توانند به سرعت سفر کنند را فراهم می‌کند.

در مرحله بعد، دانشمندان محدودیت‌های LTO؛ مانند تولید گرما و از بین رفتن ظرفیت مرتبط با چرخه در سرعت بالا را برای کاربردهای واقعی با دقت مورد بررسی قرار می‌دهند. با بررسی رفتار LTO بعد از جذب و آزادسازی مکرر لیتیوم در سرعت‌های مختلف چرخه، آن‌ها امیدوارند که بتوانند برای این مسائل راه‌حلی بیابند. این دانش، اطلاعات لازم را به توسعه و رشد مواد الکترود عملا زیست پذیر، برای باتری‌های شارژ سریع می‌رساند.