بررسی اثرات مثبت و منفی افزودن نیکل به الکترودها

محققان آزمایشگاه ملی نورث وسترن در تحقیقات خود دریافته‌اند که نیکل می‌تواند به صورت سد فیزیکی در برابر عبور یون‌های لیتیم در آید. با این کار زمان شارژ و دشارژ باتری‌ها به شدت کاهش می‌یابد. نیکل یکی از اجزاء اصلی در الکترود باتری‌های یون لیتیم می‌باشد. نتایج این پژوهش در نشریه Nano Letters به چاپ رسیده و می‌تواند مسیر تازه‌ای به سوی بهبود عملکرد باتری‌ها باشد.

محققان آزمایشگاه ملی نورث وسترن در تحقیقات خود دریافته‌اند که نیکل می‌تواند به‌صورت سد فیزیکی در برابر عبور یون‌های لیتیم در آید. با این کار زمان شارژ و دشارژ باتری‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد. نیکل یکی از اجزاء اصلی در الکترود باتری‌های یون لیتیم است. نتایج این پژوهش در نشریه Nano Letters به چاپ رسیده و می‌تواند مسیر تازه‌ای به‌سوی بهبود عملکرد باتری‌ها باشد.

گنگمین وانگ رهبر این تیم تحقیقاتی تصاویر سه بعدی با کیفیت بالا از نانوذرات لایه‌ای اکسید منگنز-نیکل- لیتیم تهیه کرده است به‌طوری که هر یک از این ذرات در این تصویر به‌صورت جداگانه مشخص شده است. نتایج این تصاویر نشان داد که ذرات نیکل به‌صورت متجمع در بخشی از این نانوذرات قرار گرفته‌اند. بزرگنمایی‌های بالا نشان می‌دهد که کانال‌هایی که در یون‌های لیتیم در حین شارژ و دشارژ شدن از میان آنها عبور می‌کنند توسط نیکل بسته می‌شوند.

وانگ می‌گوید ما از این که دیدیم نیکل به‌صورت جداگانه در این ساختار متجمع شده متعجب شدیم. زمانی که یون‌های لیتیم در حین عبور از کانال‌ها با این تجمع ذرات برخورد می‌کنند متوقف می‌شوند. این بلوک شدن‌ها در فرآیند تولید الکترودها ایجاد می‌شود و مایل هستیم تا مانع بروز این مشکل شویم.
یون‌های لیتیم دارای بار مثبت هستند بنابراین در حین شارژ باتری، میان الکترودهای مثبت و منفی حرکت می‌کنند. در الکترودهای اکسید منگنز-لیتیم، اتم‌های اکسیژن و منگنز تشکیل ردیف‌هایی مانند جنگل‌ می‌دهند در کانال‌های ایجاد شده در فواصل میان این ردیف‌ها، یون‌های لیتیم می‌تواند در تردد باشد جهت حرکت یون‌ها را نیز شارژ شدن یا استفاده شدن باتری تعیین می‌کند.
مدت‌هاست که محققان می‌دانند افزودن مقداری نیکل می‌تواند ظرفیت باتری‌ها را بهبود دهد. اما آنها نمی‌دانستند که چرا بعد از مدتی استفاده، ظرفیت باتری‌ها افت محسوسی می‌کند. این پدیده را کاربران به این شکل احساس می‌کنند که بعد از مدتی ظرفیت باتری از قبل کمتر می‌شود.

برای یافتن دلیل این موضوع، محققان آزمایشگاه ملی آرگونه تصاویری از این الکترودها تهیه کردند. آنها از روش نقشه برداری سه بعدی برای تعیین جنس بخش‌های مختلف روی نانوذرات استفاده کردند. برای این کار نانوذرات در زوایای مختلف خم شده و ۵۰ تصویر متفاوت از آن گرفته می‌شود. در نهایت با کنار هم قرار دادن این تصاویر نقشه سه بعدی عنصری از نانوذرات ایجاد می‌شود. این نقشه سه بعدی حکایت از تجمع ذرات نیکل در مسیر حرکت یون‌های لیتیم دارد.