یافتن دلیل زوال الکترولیت با کوچک شدن اندازه باتری‌ها

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری
موفق به مشاهده باتری‌های نانومقیاس منفرد شدند. در این تحقیق مشخص شد که چرا
با کوچک شدن اندازه باتری‌ها، الکترولیت دچار مشکل می‌شود. در این باتری‌ها
الکترولیت‌هایی با ضخامت شارژ و دشارژ مختلف وجود دارد.

دانشمندان موسسه NIST دریافتند که پیش از آن که باتری دچار مشکل شود یک ضخامت
حداقلی برای لایه الکترولیت وجود دارد. این گروه تحقیقاتی با همکاری همتایان
خود در دانشگاه مریلند و آزمایشگاه‌های ملی ساندیا یک سری باتری نانوسیمی
ساخته‌اند که در آنها ضخامت لایه الکترولیتی می‌تواند به‌صورت شدیدی عملکرد
باتری را تحت تاثیر قرار دهد. با این کار می‌توان بر محدودیت اندازه منابع نیرو
غلبه کرد. نتایج این تحقیق بسیار مهم است زیرا اندازه و عملکرد باتری کلید اصلی
در توسعه ماشین‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) است. این ماشین‌ها پتانسیل‌های
فوق العاده‌ای در حوزه‌های مختلف دارند.

ماشین‌های میکروالکترومکانیکی می‌توانند دارای ابعادی در حد چند ده میکرون
باشند ( که تقریبا یک دهم پهنای موی انسان است). از این ادوات می‌توان در
حوزه‌های مختلف از قبیل پزشکی و پیمایش‌های صنعتی استفاده کرد. اما این ادوات
نیاز به باتری‌های کوچک، با طول عمر بالا و قابلیت شارژ سریع دارند. فناوری‌های
فعلی ساخت باتری‌ها امکان تولید باتری‌هایی با این مشخصات را ندارند در واقع
نمی‌توان باتری‌هایی کوچک‌تر از یک میلیمتر تولید کرد. باتری‌هایی در این ابعاد
دارای کارایی بسیار پایینی هستند.

آلک تالین و همکارانش از موسسه NIST لایه‌هایی فلزی با ضخامت‌های مختلف را
به‌عنوان کاتد، آند و الکترولیت نشست دادند. با این کار باتری بسیار کوچکی را
می‌توان تولید کرد. این تیم تحقیقاتی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری
(TEM) موفق به مشاهده عبور جریان از میان باتری شده و مواد درون باتری‌ها را در
حین شارژ و دشارژ مشاهده کردند. این گروه تحقیقاتی یک جنگل واقعی از باتری‌های
یون لیتیم حالت جامد تولید کردند که ارتفاع آنها 7 میکرومتر و پهنای 800
نانومتر داشت. آنها این کار را برای این انجام دادند که ببینند چقدر می‌توان
این ساختارها را کوچک کرد و در این ابعاد چه عملکردی را دارا هستند. برای تولید
این ساختارها محققان از نانوسیم‌های سیلیکونی آغاز کردند و روی آنها را با مواد
فلزی پوشش دادند.

نتایج کار آنها نشان داد که با کاهش ضخامت فیلم الکترولیت به زیر 200 نانومتر،
الکترون‌ها می‌توانند به‌جای عبور از میان سیم، از مرز الکترولیت جهش کنند.
انتخاب مسیر کوتاه موجب تشکیل مدار کوتاه شده و الکترولیت دچار مشکل می‌شود،
این کار موجب دشارژ شدن سریع باتری می‌شود.

اکنون که مشخص شد دلیل از کار افتادن الکترولیت چیست، برای ساخت باتری‌های
کوچک‌تر دانشمندان باید یک الکترولیت جدید تولید کنند.