با ترکیب روش میکروسکوپ TEM و AFM، محققان موفق به بررسی سازوکار رشد ویسکرها در باتری‌ها شدند و از این اطلاعات برای بهبود ایمنی و کارایی باتری‌ها استفاده کردند.
چگونه فناوری‌نانو ایمنی باتری‌های لیتیمی را ارتقا می‌دهد؟
اغلب در باتری‌های یون لیتیم ساختارهای سوزنی شکلی رشد می‌کنند که این ساختار با قرار گرفتن میان الکترودها می‌توانند مدار کوتاه ایجاد کرده و خطر آتش‌سوزی را در باتری افزایش دهند.
یک تیم تحقیقات بین‌المللی، روشی برای رشد و مشاهده این ساختارها ارائه کردند که می‌تواند به افزایش درک دانشمندان از این پدیده کمک کرده و مانع از رشد این ساختارها شوند.
سولین ژانگ از محققان این پروژه می‌گوید: «تشخیص هسته‌زایی چنین ساختارهای سوزنی شکلی بسیار دشوار بوده و مشاهده آن‌ها نیز چالش‌برانگیز است. لیتیم بسیار فعال بوده و در نتیجه به سختی می‌توان با انجام آزمایش حضور این ساختارها را تشخیص داد و آن‌ها را مشخصه‌یابی کرد.»
دندریت‌ها و ویسکرهای لیتیمی دارای ساختاری با ضخامت چند صد نانومتر بوده که از روی سطح الکترودهای لیتیم رشد می‌کنند و از میان الکترولیت جامد و سیال عبور کرده و به الکترود دیگر می‌رسند؛ با این کار مدار کوتاه ایجاد می‌شود.
در این پروژه که با همکاری کشورهای چین و آمریکا انجام شده است، محققان موفق شدند ویسکرهای لیتیم را درون میکروسکوپ الکترونی عبوری محیطی با استفاده از اتمسفر دی‌اکسیدکربن ایجاد کنند. واکنش دی‌اکسیدکربن با لیتیم موجب تشکیل لایه‌ای اکسیدی می‌شود که به پایداری ویسکرها کمک می‌کند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Revealing the growth and stress generation of lithium whiskers by in situ ETEM-AFM در نشریه Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.
در این پروژه محققان از نوک میکروسکوپ نیروی اتمی به‌عنوان الکترود شمارنده استفاده کرده و در واقع میکروسکوپ AFM را با ETEM ترکیب کردند. با این کار امکان تصویربرداری از فرآیند رشد ویسکرها فراهم می‌شود.
ژانگ می‌گوید: «اکنون ما فرآیند رشد ویسکر را می‌دانیم و می‌شناسیم؛ بنابراین می‌توان الکترولیت‌های حالت جامد را به‌گونه‌ای طراحی کنیم که مانع از رشد این ساختارها شویم.»
باتری‌های حالت جامد حاوی فلز لیتیم از نظر ایمنی و دانسیته انرژی بسیار مطلوب هستند. با این روش جدید می‌توان سازوکارهای جدیدی برای این فرآیند شناسایی کرده و از آن‌ها برای توسعه باتری‌های جدید استفاده شود.
