گروهی از محققان آمریکایی با استفاده از میکروسکوپی پیشرفته، تصویر جدیدی از نحوه عملکرد باتری‌های یون لیتیومی ارائه کرده‌اند.
درک رفتار باتری‌ها در مقیاس نانو
محققان آزمایشگاه ملی Oak Ridge در آمریکا
با استفاده از میکروسکوپی پیشرفته، تصویر جدیدی از نحوه عملکرد باتری‌های
یون لیتیومی ارائه کرده‌اند.
این گروه تحقیقاتی روش جدیدی به‌نام میکروسکوپی کششی الکتروشیمیایی (ESM)
ابداع کرده‌اند که می‌تواند حرکت یون‌های لیتیومی در کاتد باتری‌ها را
بررسی نماید.
سرجی کالینین یکی از محققان این گروه پژوهشی می‌گوید: «ما می‌توانیم تصویر
دقیقی از حرکت یون‌ها در مقیاس نانومتری ارائه دهیم که ۱۰۶ تا ۱۰۷ برابر
بهتر از پیشرفته‌ترین روش‌های الکتروشیمیایی است».
این محققان با استفاده از روبشگر ESM یک اختلاف پتانسیل به کاتد لایه‌ای
باتری اعمال کردند. سپس با اندازه‌گیری کشش الکتروشیمیایی ایجاد شده یا
تغییر حجم، چگونگی جریان یون‌ها در طول ماده را به تصویر کشیدند. کالینین
توضیح می‌دهد که در روش‌های الکتروشیمیایی موجود به جای اندازه‌گیری کشش،
جریان الکتریکی اندازه گرفته می‌شود؛ اما این روش‌ها در مقیاس نانو عمل نمی‌کنند،
زیرا جریان‌های الکتروشیمیایی در این مقیاس کوچک‌تر از آن هستند که اندازه‌گیری
شوند. او می‌گوید: «تا جایی که می‌دانیم این اولین اندازه‌گیری جریان یون
لیتیوم با این تفکیک‌پذیری فضایی بالاست».
باتری‌های یون لیتیومی به خاطر وزن کم، دانسیته انرژی بالای و قابلیت شارژ
مجدد دارای اهمیت هستند. محققان امیدوارند با داشتن علم بیشتر در مورد
قطعات و دینامیک این باتری‌ها در مقیاس بسیار کوچک، عملکرد آنها را بهبود
بخشند.
میکروسکوپ ESM می‌تواند از ساختارهای کوچکی همچون دانه‌ها، خوشه‌های دانه‌ای
و نقایص ساختاری درون ماده کاتد تصویربرداری کند. به‌عنوان مثال این
تصویربرداری‌ها نشان دادند که جریان یون‌های لیتیوم در مرز دانه‌ها تمرکز
دارد که این امر می‌تواند به ایجاد ترک و از کار افتادن باتری منجر شود.
با وجودی که این تحقیق روی باتری‌های یون
لیتیوم تمرکز داشته است، اما این گروه انتظار دارد بتوان از این روش برای
بررسی سامانه‌های الکتروشیمیایی حالت جامد دیگر مثل انواع دیگر باتری‌ها،
پیل‌های سوختی یا ابزارهای الکتروشیمیایی مشابه که از حرکات یونی نانومقیاس
برای ذخیره اطلاعات بهره می برند، استفاده کرد.
نینا بالکه یکی دیگر از محققان این کار می‌گوید: «تغییرات بسیار کوچک در
مقیاس نانو می تواند اثرات بزرگی در عملکرد ابزار مورد نظر داشته باشد. درک
باتری‌ها در این مقیاس کوچک می‌تواند منجر به ارائه پیشنهاداتی برای مهندسی
مواد شود».
جزئیات این کار در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.
