دانشمندان در حال بررسی نحوه پیگیری آنچه در باتری ها رخ می دهد – ScienceDaily


آینده تحرک خودروهای برقی ، کامیون ها و هواپیماها است. اما به هیچ وجه نمی توان طراحی باتری را در آینده تأمین کرد. حتی باتری های تلفن همراه و لپ تاپ شما نیز الزامات متفاوت و طراحی های مختلفی دارند. باتری های مورد نیاز ما طی چند دهه آینده باید متناسب با کاربردهای خاص آنها باشد.

و این بدان معنی است که دقیقاً می دانید در هر نوع باتری چه اتفاقی می افتد. هر باتری بر اساس همان اصل کار می کند: یون ها که اتم یا مولکول هایی با بار الکتریکی هستند ، از طریق ماده ای به نام الکترولیت جریان را از آند به کاتد منتقل می کنند و سپس به عقب برمی گردند. اما حرکت دقیق آنها از طریق این مواد ، چه مایع و چه جامد ، دانشمندان را برای دهه ها متحیر کرده است. دانستن دقیقاً نحوه حرکت انواع مختلف یونها از طریق انواع مختلف الکترولیت ها ، به محققان کمک می کند تا درک کنند که چگونه بر این حرکت تأثیر می گذارند ، باتری هایی را شارژ و تخلیه می کنند که مناسب ترین نوع استفاده برای آنها است.

در یک دستیابی به موفقیت ، تیمی از دانشمندان ترکیبی از تکنیک ها را نشان دادند که امکان اندازه گیری دقیق یون های در حال حرکت از طریق باتری را فراهم می کند. با استفاده از منبع پیشرفته فوتون (APS) ، بخش علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی آرگون DOE ، این محققان نه تنها هنگام کار ، باتری را زیر و رو می کنند ، پاسخ های زمان واقعی را اندازه می گیرند ، بلکه در را باز می کنند برای آزمایش های مشابه با انواع مختلف باتری.

محققان در مورد این نتیجه با مرکز مشترک تحقیقات صرفه جویی در انرژی (JCESR) ، مرکز نوآوری انرژی DOE ، مدیریت شده توسط آرگون همکاری می کنند. سند تیم ، که جزئیات میزان یونهای لیتیوم در حال حرکت از طریق الکترولیت پلیمر را بیان می کند ، در سال 2007 منتشر شد انرژی و علوم محیطی.

هانس گئورگ اشتاینروک ، استاد دانشگاه پادربورن آلمان و اولین نویسنده مقاله ، گفت: “این ترکیبی از روشهای مختلف آزمایشی برای اندازه گیری سرعت و غلظت است ، و سپس هر دو را با تئوری مقایسه کنید.” “ما نشان داده ایم که این امکان وجود دارد و اکنون آن را روی سیستم های دیگری که ماهیت متفاوت دارند پیاده خواهیم کرد.”

این روش ها ، که بر روی خط پرتو APS 8-ID-I انجام می شود ، شامل استفاده از اشعه ایکس بسیار روشن برای اندازه گیری سرعت حرکت یونها از طریق باتری و اندازه گیری همزمان غلظت یونها در الکترولیت در حالی که مدل باتری است ، می باشد. رقیق شده سپس تیم تحقیق نتایج آن را با مدلهای ریاضی مقایسه می کند. نتیجه آنها رقمی کاملاً دقیق است که نمایانگر جریان منتقل شده توسط یونها است – که به آن عدد انتقال گفته می شود.

عدد حمل و نقل اساساً مقدار جریانی است که توسط یون های دارای بار مثبت نسبت به کل جریان الکتریکی حمل می شود و محاسبات تیمی این عدد را تقریباً 2/0 تعیین می کنند. محققان گفتند ، این نتیجه با نتایج دیگر متفاوت است ، زیرا حساسیت این روش جدید برای اندازه گیری حرکت یون است.

طبق گفته مایکل تونی ، استاد دانشگاه کلرادو بولدر و نویسنده مقاله ، ارزش واقعی یک عدد حمل و نقل سال هاست که مورد بحث دانشمندان است. تونی و اشتاینروک هنگام انجام مطالعه کارکنان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC DOE بودند.

تونی گفت: “روش سنتی برای اندازه گیری تعداد حمل و نقل ، تجزیه و تحلیل جریان است.” “اما معلوم نبود چه مقدار از این جریان به دلیل یون های لیتیوم و چه مقدار به دلیل چیزهای دیگری است که شما در تجزیه و تحلیل خود نمی خواهید. اصل ساده است ، اما ما باید آن را به طور دقیق اندازه گیری کنیم. مطمئنا اثبات مفهوم بود.”

برای این آزمایش ، تیم تحقیقاتی از یک الکترولیت پلیمر جامد به جای مایعات مایع که برای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود ، استفاده کردند. همانطور که تونی یادداشت می کند ، پلیمرها ایمن تر هستند زیرا از مشکلات اشتعال برخی الکترولیت های مایع جلوگیری می کنند.

Venkat Srinivasan از آرگون ، معاون مدیر JCESR و نویسنده مقاله ، تجربه زیادی در مدل سازی واکنش های باتری دارد ، اما برای اولین بار توانسته است این مدل ها را با داده های زمان واقعی حرکت یونها از طریق الکترولیت مقایسه کند.

وی گفت: “سالها ما مقالاتی راجع به آنچه در باتری می گذشت نوشتیم زیرا نمی توانستیم چیزهای داخل آن را ببینیم.” “من همیشه شوخی کرده ام که هرچه من می گویم باید درست باشد ، زیرا ما نمی توانستیم آن را تأیید کنیم. بنابراین ما دهه ها به دنبال اطلاعاتی از این دست بوده ایم و پیش بینی ها را مانند افرادی مانند من به چالش می کشد.”

در گذشته ، سرینیواسان گفت ، بهترین راه برای مطالعه عملکرد داخلی باتری ها ، ارسال جریان از طریق آنها و سپس تجزیه و تحلیل اتفاقات بعدی است. وی گفت ، توانایی ردیابی حرکت یونها در زمان واقعی ، فرصتی را در اختیار دانشمندان قرار می دهد تا حرکت را برای تأمین نیازهای طراحی باتری تغییر دهند.

وی گفت: “پیش از این باید نقاط را به هم متصل می کردیم و اکنون می توانیم یون ها را مستقیماً شناسایی کنیم.” “هیچ ابهامی وجود ندارد.”

اریک دوفرسن ، فیزیکدان اشعه ایکس در آرگون ، یکی از دانشمندان APS بود که روی این پروژه کار می کرد. نویسنده مقاله ، دوفرسن ، گفت: این آزمایش از انسجام موجود در APS استفاده می کند ، به تیم تحقیقاتی اجازه می دهد تا اثر مورد نظر خود را با سرعت فقط نانومتر در ثانیه بدست آورند.

وی گفت: “این یک مطالعه بسیار دقیق و پیچیده است.” “این مثال خوبی از ترکیب تکنیک های اشعه X به روش جدید و گام خوبی در جهت توسعه برنامه های آینده است.”

Dufresne و همکارانش همچنین خاطرنشان می کنند که این آزمایشات تنها پس از انجام APS در ارتقا ongoing مداوم حلقه ذخیره الکترون خود ، بهبود می یابد که باعث افزایش روشنایی اشعه ایکس تا 500 برابر می شود.

دوفرسن گفت: “APS Upgrade به ما این امکان را می دهد تا این مطالعات پویا را از بهتر از ثانیه های بالاتر ارتقا دهیم.” “ما می توانیم پرتو را روی اندازه گیری های کوچکتر متمرکز کنیم و از مواد ضخیم تری عبور کنیم. این ارتقا قابلیت های منحصر به فردی به ما می دهد و می توانیم آزمایش های بیشتری از این نوع را انجام دهیم.”

این دیدگاهی است که تیم تحقیق را هیجان زده می کند. اشتاینروک گفت که گام بعدی تجزیه و تحلیل پلیمرهای پیچیده تر و سایر مواد و در نهایت الکترولیت های مایع است. تونی گفت که دوست دارد یونها را از انواع دیگر مواد مانند کلسیم و روی مورد مطالعه قرار دهد.

سرینیواسان گفت ، مطالعه انواع مواد برای هدف نهایی مهم است: باتری هایی که دقیقاً برای استفاده شخصی آنها طراحی شده اند.

وی گفت: اگر می خواهیم باتری هایی با انرژی بالا ، سریع ، ایمن و با دوام بالا ایجاد كنیم ، باید اطلاعات بیشتری در مورد حركت یون ها داشته باشیم. “ما باید درباره آنچه در باتری می گذرد بیشتر بدانیم و از این دانش برای طراحی مواد جدید از پایین به بالا استفاده کنیم.”

این کار به عنوان بخشی از مرکز مشترک تحقیقات صرفه جویی در انرژی ، مرکزی برای نوآوری در انرژی که توسط وزارت انرژی ایالات متحده ، بخش علوم ، انرژی تأمین می شود ، پشتیبانی شد.


منبع: khabar-erfan.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*