دانشمندان چینی و آمریکایی از یون‌های لیتیوم قرار گرفته روی یک آند نانوسیمی منفرد، تصاویری با وضوح بالا گرفته‌اند که نشان‌دهنده‌ی این می‌باشند که این مواد هنگام شارژ شدن متورم، کشیده و مارپیچی می‌شوند. طبق گفته این پژوهشگران این تکنیک می‌تواند به ساخت سیستم‌های باتری کارآمدترِ نسل آینده کمک کند.
کشف مکانیسم عملکرد الکترود نانوسیمی باتری‌های لیتیومی
دانشمندان چینی و آمریکایی از یون‌های
لیتیوم قرار گرفته روی یک آند نانوسیمی منفرد، تصاویری با وضوح بالا گرفته‌اند
که نشان‌دهنده‌ی این می‌باشند که این مواد هنگام شارژ شدن متورم، کشیده و
مارپیچی می‌شوند. طبق گفته این پژوهشگران این تکنیک می‌تواند به ساخت سیستم‌های
باتری کارآمدترِ نسل آینده کمک کند.
یکی از معایب باتری‌های یون لیتیوم که بطور گسترده استفاده می‌شوند، این
است که هنگام شارژ و تخلیه شدن این باتری‌ها، حجم مواد آند داخل آنها
افزایش می‌یابد و این سبب فشار به این مواد و درنتیجه شکستن آنها می‌شود.
مواد آند نانوسیمی قادر به شارژ و تخلیه شدن بدون شکسته شدن هستند،
بنابراین آنها طول‌عمر این باتری‌ها را افزایش می‌دهند؛ اما مکانیسم عملکرد
این نانوالکترودها تاکنون ناشناخته بوده است.
اکنون یک گروه تحقیقاتی بین‌المللی به
رهبری جیانگ یو از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، با قرار دادن یک الکترود
نانوسیمی در داخل یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، شارژ و تخلیه شدن آن
را در یک پیل الکتروشیمیایی مشاهده کرده است. این پژوهشگران با این روش از
این فرآیند نانومقیاس تصاویری در زمان واقعی گرفته‌اند که آنها را قادر می‌کنند
تا این واکنش الکتروشیمیایی اتفاق‌افتاده در سطح یک ذره منفرد را مشاهده
کنند.
پیل الکتروشیمیایی این پژوهشگران از یک آند نانوسیم اکسید قلع (SnO2)، یک
کاتد دی‌اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) و یک مایع یونی حاوی یک نمک یون
لیتیوم بعنوان الکترولیت، تشکیل شده است. تلاش‌های قبلی برای مشاهده این
واکنش‌ها در داخل یک TEM با شکست مواجه شده‌اند، زیرا الکترولیت‌های مایع
مبتنی بر کربنات اتیلن مرسوم در شرایط خلاء بالا تبخیر می‌شوند. اما فشار
بخار بسیار پایین مایع یونی استفاده شده بوسیله این پژوهشگران که به معنی
حداقل تبخیر در این شرایط است، این مشکل را حل کرده است.
اتصال این نانوسیم اکسید قلع به نوک یک
میکروسکوپ تونل‌زنی پیمایشگر (STM)، این امکان را فراهم می‌کند که این آند
نانوسیمی به آسانی در مایع یونی قرار داده شده و این پیل الکتروشیمیایی
تکمیل شود. سپس برای شروع واکنش الکتروشیمیایی یک پتانسیل منفی اعمال می‌شود.
این پتانسیل منجر به حرکت یون‌های لیتیوم از کاتد (در سرتاسر الکترولیت) به
سمت آند می‌شود.
تصاویر TEM حین انجام واکنش الکتروشیمیایی، نشان می‌دهند که نواقص ساختاری
این نانوسیم بعنوان کانال‌های ورودی یون‌های لیتیوم عمل می‌کنند و این آند
نانوسیمی با ورود این یون‌ها، تغییرشکل می‌یابد؛ به شدت کشیده‌تر، اندکی
پهن‌تر و حجم آن دو برابر می‌شود.
این پژوهشگران می‌گویند که در آینده برای ساخت باتری‌هایی با عملکرد بهتر،
از این تکنیک برای مشاهده این واکنش‌های الکتروشیمیایی در دیگر مواد
الکترودی مانند سیلیکون استفاده خواهند کرد.
نتایج این تحقیق در مجله‌ی Science منتشر شده است.
