افزایش عمر باتری‌ها با کمک چشمه فوتون پیشرفته

چشمه فوتون پیشرفته «آزمایشگاه ملی آرگون» به دانشمندان امکان داده است تا عملکرد داخلی باتری را در سطح مولکولی مشاهده کنند و راهی را برای افزایش عمر باتری‌های لیتیوم-یونی ارائه دهند.

به گزارش ایسنا، اگرچه باتری‌های لیتیوم-یونی می‌توانند به نجات سیاره ما کمک کنند اما از برخی جهات شبیه به باتری‌های دیگر هستند. این باتری‌ها با گذشت زمان تخریب می‌شوند و کارآیی آنها کاهش می‌یابد. بدین ترتیب، طول عمر آنها تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

به نقل از وب‌سایت رسمی آزمایشگاه ملی آرگون، باتری‌های لیتیوم-یونی در کنار فعال کردن سبک زندگی دیجیتالی ما، انرژی بیشتر وسایل نقلیه الکتریکی را تامین می‌کنند. به همین دلیل، افزایش طول عمر باتری برای پذیرش گسترده خودروهای الکتریکی در مرحله گذار از خودروهای سوخت فسیلی ضروری است. دانشمندان در تلاش هستند تا دلایل تخریب باتری را بیابند و طول عمر آن را افزایش دهند.

دانشمندان «آزمایشگاه ملی آرگون»(ANL) وابسته به «وزارت انرژی آمریکا»(DOE) در حال همکاری با سایر آزمایشگاه‌ها و موسسات دانشگاهی این کشور هستند تا پدیده‌ای به نام «خود-تخلیه» را مطالعه کنند. این پدیده، یک مجموعه واکنش‌های شیمیایی در باتری است که به کاهش عملکرد آن به مرور زمان منجر می‌شود و طول عمر باتری را کوتاه می‌کند. «زونگهای چن»(Zonghai Chen) شیمیدان ارشد آزمایشگاه ملی آرگون گفت: با کاهش خود-تخلیه می‌توانیم باتری کوچک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تری طراحی کنیم؛ بدون اینکه کارآیی باتری را در پایان عمر آن به خطر بیندازیم.

هنگام خود-تخلیه، باتری لیتیوم-یونی شارژشده انرژی ذخیره‌شده خود را حتی در صورت عدم استفاده از دست می‌دهد. به عنوان مثال، یک وسیله نقلیه الکتریکی که یک ماه یا بیشتر روشن نشده ممکن است به دلیل کاهش ولتاژ و شارژ باتری کار نکند.

«زونگهای چن»(Zonghai Chen) شیمیدان ارشد آزمایشگاه ملی آرگون گفت: خود-تخلیه پدیده‌ای است که همه دستگاه‌های الکتروشیمیایی قابل شارژ آن را تجربه می‌کنند. این فرآیند به آرامی مواد گرانبهای باتری را مصرف می‌کند و رسوب محصولات جانبی نامطلوب را روی سطح اجزای باتری باقی می‌گذارد. این امر به کاهش مداوم عملکرد باتری منجر می‌شود.

دانشمندان برای یافتن علت خود-تخلیه باید مکانیسم‌های شیمیایی پیچیده‌ای را شناسایی کنند که آغازگر فرآیند تخریب در باتری هستند. باتری‌های لیتیوم-یونی قابل شارژ هستند و از یون‌های لیتیوم برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند. کاتد و الکترولیت، دو مولفه کلیدی در باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. طول عمر باتری می‌تواند تحت تأثیر تخریب کاتدها باشد.

اگرچه دانشمندان در حال به دست آوردن پیشرفت قابل توجهی در درک باتری‌های لیتیوم-یونی هستند اما بحث‌های مداومی درباره علت پدیده خود-تخلیه وجود دارد.

این گروه پژوهشی یک مقاله جدید را منتشر کرده‌اند که به پر کردن این شکاف علمی اختصاص دارد. این مقاله، مکانیسم هیدروژناسیون کاتد را به عنوان مسیری برای خود-تخلیه عامل تخریب باتری تأیید می‌کند.

دانشمندان گفتند بدون دسترسی به «چشمه فوتون پیشرفته»(APS) آزمایشگاه ملی آرگون که یکی از برترین تاسیسات منبع پرتو پرانرژی ایکس مبتنی بر حلقه ذخیره‌سازی جهان است، نمی‌توانستند یافته‌های خود را تأیید کنند. چشمه فوتون پیشرفته یک تسهیلات کاربری متعلق به اداره علوم وزارت انرژی آمریکاست. منابع نوری از الکترون‌هایی استفاده می‌کنند که در یک حلقه ذخیره‌سازی با سرعتی نزدیک به سرعت نور می‌چرخند تا پرتوهای ایکس را تولید کنند. این کار به دانشمندان امکان می‌دهد تا عملکرد داخلی باتری را در سطح اتمی آشکار کنند.

«گانگ وان»(Gang Wan) دانشمند تحقیقات علوم فیزیکی در «دانشگاه استنفورد» و سرپرست این پژوهش گفت: ما عمیقا از امکانات پیشرفته پرتو ایکس و پشتیبانی موجود در چشمه فوتون پیشرفته سپاسگزاریم. جفت ایده‌آل مطالعات پرتو ایکس و الکتروشیمی، اکتشافات ما را درباره چگونگی انجام شدن هیدروژناسیون کاتد در باتری‌های لیتیوم-یون و تأثیر بر خود-تخلیه ممکن می‌سازد.

این پژوهش در مجله «Science» به چاپ رسید.