تعد تقنيات تخزين الطاقة النظيفة والفعالة ضرورية لإنشاء بنية تحتية للطاقة المتجددة.بطاريات الليثيوم أيون هي السائدة بالفعل في الأجهزة الإلكترونية الشخصية ، وهي مرشحة واعدة للتخزين الموثوق به على مستوى الشبكة والمركبات الكهربائية.ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من التطوير لتحسين معدلات الشحن والعمر القابل للاستخدام.
للمساعدة في تطوير مثل هذه البطاريات ذات الشحن السريع والتي تدوم طويلاً ، يحتاج العلماء إلى أن يكونوا قادرين على فهم العمليات التي تحدث داخل بطارية قيد التشغيل ، لتحديد القيود المفروضة على أداء البطارية.في الوقت الحالي ، يتطلب تصور مواد البطارية النشطة أثناء عملها تقنيات معقدة للأشعة السينية أو المجهر الإلكتروني ، والتي يمكن أن تكون صعبة ومكلفة ، وغالبًا ما لا تستطيع التصوير بالسرعة الكافية لالتقاط التغييرات السريعة التي تحدث في مواد الإلكترود سريعة الشحن.نتيجة لذلك ، تظل ديناميكيات الأيونات على مقياس الطول للجسيمات النشطة الفردية ومعدلات الشحن السريع ذات الصلة تجارياً غير مستكشفة إلى حد كبير.
تغلب الباحثون في جامعة كامبريدج على هذه المشكلة من خلال تطوير تقنية مجهرية ضوئية منخفضة التكلفة تعتمد على المختبر لدراسة بطاريات الليثيوم أيون.قاموا بفحص الجسيمات الفردية لـ Nb14W3O44 ، والتي تعد من بين أسرع مواد الشحن الأنود حتى الآن.يتم إرسال الضوء المرئي إلى البطارية من خلال نافذة زجاجية صغيرة ، مما يسمح للباحثين بمشاهدة العملية الديناميكية داخل الجسيمات النشطة ، في الوقت الفعلي ، في ظل ظروف واقعية غير متوازنة.كشف هذا عن تدرجات لتركيز الليثيوم تشبه الجبهة تتحرك خلال الجسيمات النشطة الفردية ، مما أدى إلى إجهاد داخلي تسبب في تكسر بعض الجسيمات.يمثل كسر الجسيمات مشكلة للبطاريات ، حيث يمكن أن يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي عن الأجزاء ، مما يقلل من سعة تخزين البطارية.يقول المؤلف المشارك الدكتور كريستوف شنيديرمان ، من مختبر كافنديش في كامبريدج: "مثل هذه الأحداث العفوية لها آثار خطيرة على البطارية ، ولكن لم يكن من الممكن ملاحظتها في الوقت الفعلي قبل الآن".
مكّنت القدرات عالية الإنتاجية لتقنية الفحص المجهري الضوئي الباحثين من تحليل عدد كبير من الجسيمات ، وكشفوا أن تكسير الجسيمات أكثر شيوعًا مع معدلات تفتيت أعلى وفي الجسيمات الأطول."توفر هذه النتائج مبادئ تصميم قابلة للتطبيق بشكل مباشر لتقليل تكسر الجسيمات وتلاشي السعة في هذه الفئة من المواد" تقول المؤلفة الأولى أليس ميريويذر ، طالبة دكتوراه في مختبر كافنديش وقسم الكيمياء في كامبريدج.
من الآن فصاعدًا ، ستتيح المزايا الرئيسية للمنهجية - بما في ذلك الحصول على البيانات بسرعة ، ودقة الجسيم الفردي ، وقدرات الإنتاجية العالية - مزيدًا من الاستكشاف لما يحدث عند فشل البطاريات وكيفية منعه.يمكن تطبيق هذه التقنية لدراسة أي نوع من مواد البطاريات تقريبًا ، مما يجعلها جزءًا مهمًا من اللغز في تطوير بطاريات الجيل التالي.
الوقت ما بعد: 17 سبتمبر - 2022