اخبار صنعت

شکستن کد یک ناهنجاری علمی: رمز و راز چند دهه ای ذخیره سازی باتری لیتیوم یون حل شد

2021-06-16
موضوعات:
فناوری باتری ، انرژی ، علوم مواد ، محبوب ، دانشگاه تگزاس در آستین ، باتری لیتیوم یون
توسط دانشگاه تگزاس در آستین 2 سپتامبر 2020


سیستم تست باتری در آزمایشگاه دکتر یو برای توسعه مواد الکترود پیشرفته. اعتبار: دانشگاه تگزاس در آستین

سالهاست که محققان قصد دارند اطلاعات بیشتری در مورد گروهی از اکسیدهای فلز کسب کنند که بعنوان مواد کلیدی نسل بعدی باتری های لیتیوم-یون به دلیل توانایی اسرارآمیز آنها در ذخیره انرژی بیشتر از حد ممکن ، به عنوان مواد کلیدی هستند. یک تیم تحقیقاتی بین المللی به سرپرستی دانشگاه تگزاس در آستین ، کد این ناهنجاری علمی را شکسته و مانع ایجاد سیستم های ذخیره انرژی بسیار سریع باتری را از بین برده است.

تیم تحقیقاتی دریافتند که این اکسیدهای فلزی دارای راههای منحصر به فردی برای ذخیره انرژی فراتر از مکانیسم های ذخیره سازی الکتروشیمیایی کلاسیک هستند. این تحقیق که در Nature Materials منتشر شده است ، چندین نوع ترکیبات فلزی با حداکثر سه برابر قابلیت ذخیره انرژی را در مقایسه با مواد رایج در باتری های لیتیوم یونی موجود در بازار امروزه پیدا کرده است.

با رمزگشایی از این راز ، محققان به بازکردن قفل باتری هایی با ظرفیت انرژی بیشتر کمک می کنند. این می تواند به معنای باتری های کوچکتر و قدرتمندتر باشد که می توانند به سرعت شارژ همه چیز را از تلفن های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه برقی را تحویل دهند.

Guihua Yu ، استادیار گروه مهندسی مکانیک واکر در دانشکده مهندسی Cockrell ، می گوید: "تقریباً دو دهه است که جامعه تحقیقاتی از ظرفیت های فوق العاده بالای این مواد فراتر از محدوده نظری آنها سرگردان شده است." و یکی از رهبران پروژه این کار اولین شواهد تجربی را نشان می دهد که نشان می دهد هزینه اضافی به صورت فیزیکی در داخل این مواد از طریق مکانیسم ذخیره سازی فضا ذخیره می شود.



سیستم تست باتری در آزمایشگاه دکتر یو برای توسعه مواد الکترود پیشرفته. اعتبار: دانشگاه تگزاس در آستین

برای نشان دادن این پدیده ، تیم راهی برای نظارت و اندازه گیری نحوه تغییر عناصر در طول زمان پیدا کرد. محققان UT ، موسسه فناوری ماساچوست ، دانشگاه واترلو در کانادا ، دانشگاه شاندونگ چین ، دانشگاه چینگدائو در چین و آکادمی علوم چین در این پروژه شرکت کردند.

در مرکز کشف ، اکسیدهای فلز گذار ، ترکیباتی هستند که شامل اکسیژن متصل به فلزات انتقالی مانند آهن ، نیکل و روی هستند. انرژی را می توان در داخل اکسیدهای فلز ذخیره کرد - برخلاف روشهای معمول که باعث می شود یون های لیتیوم به داخل و خارج از این مواد حرکت کرده یا ساختارهای بلوری خود را برای ذخیره انرژی تبدیل کنند. و محققان نشان می دهند که ظرفیت بار اضافی نیز می تواند در سطح نانوذرات آهن که طی یک سری فرایندهای الکتروشیمیایی معمولی شکل گرفته اند ذخیره شود.

طبق تحقیقات انجام شده ، طیف وسیعی از فلزات انتقالی می توانند این ظرفیت اضافی را باز کنند ، و آنها دارای قابلیت مشترکی در جمع آوری تراکم بالای الکترون هستند. یو گفت که این مواد هنوز برای زمان اولیه آماده نیستند ، عمدتا به دلیل عدم آگاهی در مورد آنها. اما محققان می گویند این یافته های جدید باید تا حد زیادی در روشن شدن پتانسیل این مواد کمک کند.

تکنیک کلیدی مورد استفاده در این مطالعه ، با نام مغناطیس سنجی درجا ، یک روش نظارت مغناطیسی در زمان واقعی برای بررسی تکامل ساختار الکترونیکی داخلی مواد است. این دستگاه قادر است با اندازه گیری تغییرات مغناطیسی ، ظرفیت بار را اندازه گیری کند. از این تکنیک می توان برای مطالعه ذخیره سازی شارژ در مقیاس بسیار کوچک استفاده کرد که فراتر از قابلیت های بسیاری از ابزارهای توصیف معمولی است.

یو گفت: "مهمترین نتایج حاصل از تکنیکی است که معمولاً توسط فیزیکدانان استفاده می شود اما به ندرت در جامعه باتری ها به کار می رود." این یک ویترین کامل از یک ازدواج زیبا از فیزیک و الکتروشیمی است.

مرجع: ظرفیت ذخیره اضافی در باتری های لیتیوم یون اکسید فلز در حال انتقال توسط مغناطیس سنجی درجا نشان داده شده توسط Qiang Li ، Hongsen Li ، Qingtao Xia ، Zhengqiang Hu ، Yue Zhu ، Shishen Yan ، Chen Ge ، Qinghua Zhang ، Xiaoxiong Wang ، Xiantao Shang ، Shuting Fan ، Yunze Long ، Lin Gu ، Guo-Xing Miao ، Guihua Yu و Jagadeesh S. Moodera ، 17 آگوست 2020 ، مواد طبیعت.
DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y