علمی، پژوهشی و فناوری

روش جدید استفاده از میدان های مغناطیسی برای عمر طولانی مدت باتری ها

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : محققان در آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، مجموعه‌ای از روش‌های نوآورانه را برای ارزیابی پیری طولانی‌مدت در سلول‌های باتری دنیای واقعی توسعه داده‌اند و نشان داده‌اند. این روش ها بر اساس پدیده ای به نام تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) هستند که معمولاً در تصویربرداری پزشکی استفاده می شود. این اولین قابلیت طیف‌سنجی NMR است که می‌تواند با جزئیات دقیق چگونگی تکامل شیمی سلول‌های باتری کیسه‌ای تجاری را طی سال‌ها کار ردیابی کند.

مقاله ای با عنوان "مشخصات Operando NMR آندهای سیلیکونی نانوذرات با سن چرخه ای و تقویمی برای باتری های Li-ion" در مجله منابع انرژی منتشر شد .

طیف‌سنجی NMR یک تکنیک غیرمخرب و غیر تهاجمی است که بر روی خواص مغناطیسی هسته‌های اتمی برای مطالعه محیط‌های شیمیایی در یک نمونه متکی است. یک میدان فرکانس رادیویی به نمونه ای که در یک میدان مغناطیسی قوی غوطه ور است اعمال می شود و باعث می شود نمونه انرژی جذب کند.

سپس، میدان فرکانس رادیویی حذف می‌شود و یک کاوشگر انرژی آزاد شده هنگام بازگشت هسته‌ها به حالت انرژی پایین‌تر خود را اندازه‌گیری می‌کند. اندازه‌گیری‌ها بینش‌هایی درباره ساختارها و واکنش‌های اتمی و مولکولی، از جمله واکنش‌های موجود در مواد باتری، ارائه می‌کنند.

قابلیت جدید NMR آرگون برای استفاده محققان و سازندگان باتری در دسترس است. باریس کی، شیمیدان Argonne و یکی از نویسندگان این مطالعه، می گوید: «کاربرد NMR برای باتری ها تا به امروز محدود شده است.

"اما با قابلیت جدید قدرتمند ما، امیدوارم که برای محققان و تولیدکنندگانی که می‌خواهند تکامل طولانی‌مدت باتری‌های خود را بدون باز کردن آنها بررسی کنند، تبدیل به "نان و کره" شود. "

استفاده از NMR برای بررسی باتری ها با آند سیلیکونی

باتری‌های لیتیوم یونی امروزی با الکترولیت‌هایی کار می‌کنند که یون‌های لیتیوم را بین دو الکترود به عقب و جلو منتقل می‌کنند و انرژی ذخیره‌شده را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. بیشتر باتری های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی دارای آند (الکترودهای منفی) ساخته شده از گرافیت هستند. با این حال، مواد الکترود جدید با چگالی انرژی بالاتر، مانند سیلیکون، برای بردهای طولانی تر مورد نیاز است.

قبل از اینکه سیلیکون به طور کامل در آند مورد استفاده قرار گیرد، چندین چالش فنی برای حل وجود دارد. هنگامی که یک سلول باتری سیلیکون آند در حال شارژ شدن است، یون های لیتیوم با سیلیکون پیوند می خورند و ترکیباتی به نام سیلیسیدهای لیتیوم تشکیل می دهند. این باعث می شود که حجم آند تا 400٪ افزایش یابد. هنگامی که سلول تخلیه می شود، لیتیوم از آند خارج می شود و باعث انقباض آن می شود.

انبساط و انقباض می تواند باعث ترک خوردن آند سیلیکون شود. علاوه بر این، سیلیسیدهای لیتیوم بسیار واکنش پذیر هستند و در نتیجه رابط بسیار کمتری با الکترولیت سلول ایجاد می کنند.

در مطالعه Argonne، محققان تکنیک طیف‌سنجی NMR را برای مشاهده سرنوشت اتم‌های لیتیوم در سلول‌های آند سیلیکون در حین شارژ و تخلیه، توسعه دادند و به کار بردند و سپس به مدت هفت ماه اجازه استراحت دادند. این تکنیک مشابه تصویربرداری رزونانس مغناطیسی یا MRI است که در پزشکی برای ایجاد تصاویر دقیق از بدن استفاده می شود.

Evelyna Wang، منصوب شده پسا دکتری Argonne و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: "کاری که ما در مطالعه خود انجام دادیم مانند گرفتن MRI از سلول های باتری بود، با این تفاوت که ما تصاویری از سلول ها تولید نکردیم." در عوض، خروجی اطلاعاتی در مورد چگونگی تغییر محیط شیمیایی لیتیوم در سلول ها به دلیل شارژ، تخلیه، استراحت و پیری بود.

"این اطلاعات به ما امکان داد تا تعیین کنیم اتم‌های لیتیوم کجا می‌روند، چگونه با اتم‌های دیگر برهم‌کنش می‌کنند، چند اتم لیتیوم در آن فعل و انفعالات دخیل هستند و آیا تخریب مرتبطی وجود دارد یا خیر. هدف ما این بود که بفهمیم چرا آندهای سیلیکون در طول زمان تجزیه می‌شوند. وانگ افزود.

شبیه سازی شرایط دنیای واقعی

برای درک بهتر چگونگی پیری سلول ها در شرایط دنیای واقعی، این تیم تکنیک NMR را در حین کار سلول ها به کار بردند. این رویکرد "operando" مشاهده بلادرنگ تغییرات ساختاری و الکترونیکی در سلول را امکان پذیر می کند.

در مقابل، آزمایش‌های معمول پیری باتری، دینامیک شیمیایی پس از عملیات و جداسازی سلول را ارزیابی می‌کنند. روش operando NMR می‌تواند تصویر دقیقی از پیری باتری‌های خودروهای الکتریکی و سایر دستگاه‌های واقعی ارائه دهد.

یکی دیگر از جنبه های مهم شبیه سازی شرایط دنیای واقعی، خود سلول ها بود. مرکز تحلیل، مدل‌سازی و نمونه‌سازی سلولی آرگون سلول‌ها را با استفاده از فرآیندی قابل مقایسه با تولید باتری‌های تجاری ساخته است. در نتیجه، سلول‌ها استانداردتر بودند و آب‌بندی و تماس‌های بسیار بهتری نسبت به سلول‌های معمولی آزمایشگاهی داشتند.

وانگ می‌گوید: «سلول‌ها اساساً نسخه‌های کوچک‌تری از سلول‌ها هستند که در وسایل نقلیه الکتریکی، رایانه‌ها و سایر دستگاه‌ها می‌توان یافت.

"بنابراین آنها می توانند عملکرد خوبی داشته باشند و در چرخه های شارژ-تخلیه کامل در طول چندین ماه و حتی سال ها مقاومت کنند. در مقابل، بسیاری از سلول های آزمایشگاهی ممکن است فقط برای یک هفته آزمایش دوچرخه سواری دوام بیاورند و نمی توانند کاهش عملکرد را در دوره های طولانی ثبت کنند. این مطالعه اولین باری است که از روش توصیف operando برای سلول های باتری کیسه ای درجه تجاری استفاده می کند.

این تیم کشف مهمی کرد: پس از شارژ شدن سلول‌ها، بسیاری از اتم‌های لیتیوم در آند به دام افتادند. در طول تخلیه، اتم های لیتیوم به جای اینکه خارج شوند و به کاتد (الکترود مثبت) منتقل شوند، به شکل سیلیسیدهای لیتیوم در آند باقی می مانند.

سیلیسیدهای لیتیوم به دام افتاده در آند انباشته شده و مقدار کل لیتیوم موجود برای چرخه سلول ها را کاهش می دهد. آنها همچنین با الکترولیت واکنش نشان دادند. مولکول ها و واکنش های به دام افتاده به کاهش ظرفیت ذخیره انرژی سلول کمک کردند.

کی گفت: «روش‌های NMR همراه با سلول‌های قوی برای حفظ مولکول‌های واکنش‌گر و مشخص کردن رفتار آن‌ها با درجه وضوح بالا بسیار مهم بودند. ما متوجه شدیم که کارکردن سلول‌ها از حساسیت تکنیک نسبت به تمام مواد شیمیایی جالبی که در داخل آنها رخ می‌دهد کم نمی‌کند.»

تیم Argonne همچنین دریافتند که افزودن نمک منیزیم به الکترولیت میزان سیلیسیدهای لیتیوم به دام افتاده را کاهش می دهد. این یافته‌ها احتمالاً الهام‌بخش خطوط جدیدی از تحقیقات برای شناسایی افزودنی‌های شیمیایی مختلف، فرمول‌های الکترولیت و مواد سیلیکونی هستند که می‌توانند تشکیل سیلیسیدهای لیتیوم به دام افتاده را محدود کنند.

یک تکنیک همه کاره

یک مزیت کلیدی طیف‌سنجی NMR این است که به رفتار عناصر سبک مانند لیتیوم ، سیلیکون، کربن و هیدروژن بسیار حساس است که سایر روش‌های شناسایی به راحتی نمی‌توانند آن را بررسی کنند.

بنابراین روش‌های جدید NMR به باتری‌های آند سیلیکونی محدود نمی‌شوند. آنها را می توان به راحتی برای سایر فناوری های باتری نوظهور مانند سدیم یون و حالت جامد به کار برد. آنها همچنین می توانند پیری را در سایر اجزای باتری مانند کاتدها و الکترولیت ها بررسی کنند.

Key گفت: «ما اکنون در حال گسترش این تکنیک به سلول‌های کیسه‌ای با اندازه استاندارد، تجاری و بدون قفسه هستیم . امیدواریم صنعت و کنسرسیوم های باتری به این روش و همکاری با ما علاقه مند شوند.