تعد تقنيات تخزين الطاقة النظيفة والفعالة ضرورية لإنشاء بنية تحتية للطاقة المتجددة.بطاريات الليثيوم أيون هي المهيمنة بالفعل في الأجهزة الإلكترونية الشخصية، وهي مرشحة واعدة للتخزين الموثوق به على مستوى الشبكة والمركبات الكهربائية.ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من التطوير لتحسين معدلات الشحن وعمر الاستخدام.
للمساعدة في تطوير مثل هذه البطاريات ذات الشحن الأسرع والأطول عمرًا، يحتاج العلماء إلى أن يكونوا قادرين على فهم العمليات التي تحدث داخل بطارية التشغيل، لتحديد القيود المفروضة على أداء البطارية.في الوقت الحالي، يتطلب تصوير مواد البطارية النشطة أثناء عملها تقنيات متطورة للأشعة السينية السنكروترونية أو المجهر الإلكتروني، والتي يمكن أن تكون صعبة ومكلفة، وغالبًا ما لا يمكن تصويرها بسرعة كافية لالتقاط التغيرات السريعة التي تحدث في مواد الأقطاب الكهربائية سريعة الشحن.ونتيجة لذلك، تظل ديناميكيات الأيونات على نطاق طول الجسيمات النشطة الفردية ومعدلات الشحن السريع ذات الصلة تجاريًا غير مستكشفة إلى حد كبير.
لقد تغلب الباحثون في جامعة كامبريدج على هذه المشكلة من خلال تطوير تقنية مجهرية ضوئية منخفضة التكلفة تعتمد على المختبر لدراسة بطاريات أيونات الليثيوم.قاموا بفحص الجزيئات الفردية من Nb14W3O44، والتي تعد من بين أسرع مواد الأنود في الشحن حتى الآن.يتم إرسال الضوء المرئي إلى البطارية من خلال نافذة زجاجية صغيرة، مما يسمح للباحثين بمشاهدة العملية الديناميكية داخل الجزيئات النشطة، في الوقت الحقيقي، في ظل ظروف واقعية غير متوازنة.وكشف هذا عن تدرجات تركيز الليثيوم الشبيهة بالواجهة الأمامية والتي تتحرك عبر الجزيئات النشطة الفردية، مما أدى إلى إجهاد داخلي تسبب في كسر بعض الجزيئات.يعد كسر الجسيمات مشكلة بالنسبة للبطاريات، لأنه يمكن أن يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي عن الأجزاء، مما يقلل من سعة تخزين البطارية.يقول المؤلف المشارك الدكتور كريستوف شنيدرمان، من مختبر كافنديش في كامبريدج: "مثل هذه الأحداث التلقائية لها آثار خطيرة على البطارية، ولكن لا يمكن ملاحظتها في الوقت الفعلي قبل الآن".
وقد مكنت القدرات الإنتاجية العالية لتقنية الفحص المجهري الضوئي الباحثين من تحليل عدد كبير من الجسيمات، وكشفت أن تشقق الجسيمات أكثر شيوعًا مع ارتفاع معدلات الإزالة وفي الجسيمات الأطول.تقول المؤلفة الأولى أليس ميريويذر، وهي مرشحة لدرجة الدكتوراه في مختبر كافنديش وقسم الكيمياء في كامبريدج: "توفر هذه النتائج مبادئ تصميم قابلة للتطبيق بشكل مباشر لتقليل تكسر الجسيمات وتلاشي القدرة في هذه الفئة من المواد".
ومن الآن فصاعدا، فإن المزايا الرئيسية لهذه المنهجية - بما في ذلك الحصول على البيانات بسرعة، ودقة الجسيم الواحد، وقدرات الإنتاجية العالية - ستمكن من إجراء المزيد من الاستكشاف لما يحدث عندما تفشل البطاريات وكيفية منع ذلك.يمكن تطبيق هذه التقنية لدراسة أي نوع من مواد البطارية تقريبًا، مما يجعلها قطعة مهمة من اللغز في تطوير بطاريات الجيل التالي.
وقت النشر: 17 سبتمبر 2022