تحقیقات جدید کمبریج می‌تواند عملکرد باتری‌های ای‌وی را بهبود بخشد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲ دسامبر ۲۰۲۲
لینک منبع New Cambridge Research Could Improve the Performance of EV Batteries

محققان کشف کرده‌اند که عملکرد و ظرفیت مواد باتری نسل بعدی ممکن است با حرکت نامنظم یون‌های لیتیوم مختل شود. این تیم که توسط دانشگاه کمبریج رهبری می‌شد، جریان یون‌های لیتیوم را در زمان واقعی در داخل یک ماده جدید باتری مورد بررسی قرار دادند.

قبلاً اعتقاد بر این بود که مکانیسم ذخیره یون‌های لیتیوم در مواد باتری برای هر ذره فعال یکنواخت است. با این حال، تحقیقات کمبریج کشف کرد که ذخیره‌سازی لیتیوم در چرخه شارژ-تخلیه یکنواخت است.

هنگامی که باتری به پایان چرخه تخلیه خود نزدیک می شود، سطوح ذرات فعال از لیتیوم اشباع می‌شود در حالی که هسته آن‌ها کمبود لیتیوم دارد. این باعث کاهش ظرفیت و از دست دادن لیتیوم قابل استفاده مجدد می‌شود.

مطالعه با بودجه موسسه فارادی ممکن است به پیشرفت مواد باتری موجود کمک کند و ساخت باتری‌های نسل بعدی را تسریع بخشد. این یافته‌ها اخیرا در مجله Jouleمنتشر شده است.

به منظور تغییر به اقتصاد کربن صفر، وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) ضروری است. باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل چگالی انرژی زیادی که دارند، انرژی اکثر خودروهای الکتریکی در حال حاضر در جاده‌ها را تامین می‌کنند. با این حال، با افزایش استفاده از EV، نیاز به برد بیشتر و زمان‌های شارژ سریع‌تر، بهبود مواد باتری موجود و همچنین کشف باتری‌های جدید را ضروری می‌کند.

برخی از امیدوارکننده‌ترین این مواد، مواد پیشرفته الکترود مثبت شناخته شده به عنوان اکسیدهای غنی از نیکل لیتیوم لایه‌ای هستند که به طور گسترده در خودروهای برقی ممتاز استفاده می‌شوند. با این حال، مکانیسم‌های کاری آن‌ها، به‌ویژه انتقال لیتیوم-یون تحت شرایط عملیاتی عملی، و چگونگی ارتباط این امر با عملکرد الکتروشیمیایی آن‌ها، به طور کامل شناخته نشده است، بنابراین ما هنوز نمی‌توانیم حداکثر عملکرد را از این مواد به دست آوریم.

با ردیابی نحوه تعامل نور با ذرات فعال در حین کار باتری در زیر میکروسکوپ، محققان تفاوت‌های مشخصی را در ذخیره‌سازی لیتیوم در طول چرخه شارژ-تخلیه در اکسید کبالت منگنز غنی از نیکل (NMC) مشاهده کردند.

آلیس مری ودر، نویسنده اول، از دپارتمان شیمی یوسف حمید کمبریج، گفت: «این اولین بار است که این عدم یکنواختی در ذخیره‌سازی لیتیوم به طور مستقیم در ذرات منفرد مشاهده می‌شود. «تکنیک‌های بی‌درنگ مانند تکنیک ما برای ثبت این موضوع در حالی که باتری در حال چرخش است ضروری است.»

با ترکیب مشاهدات تجربی با مدل‌سازی رایانه‌ای، محققان دریافتند که عدم یکنواختی از تغییرات شدید نرخ انتشار لیتیوم-یون در NMC در طول چرخه شارژ-تخلیه سرچشمه می‌گیرد. به طور خاص، یون‌های لیتیوم به آرامی در ذرات NMC کاملاً لیتی شده منتشر می‌شوند، اما پس از استخراج مقداری یون لیتیوم از این ذرات، انتشار به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

دکتر Shrinidhi S Pandurangi از دپارتمان مهندسی کمبریج، نویسنده اول، گفت: «مدل ما بینش‌هایی در مورد محدوده‌ای که انتشار لیتیوم یون در NMC در مراحل اولیه شارژ متفاوت است، ارائه می‌کند. مدل ما توزیع لیتیوم را به دقت پیش‌بینی کرد و میزان ناهمگونی مشاهده شده در آزمایش‌ها را به دست آورد. این پیش‌بینی‌ها برای درک سایر مکانیسم‌های تخریب باتری مانند شکستگی ذرات کلیدی هستند.»

نکته مهم، ناهمگونی لیتیومی که در پایان تخلیه مشاهده می‌شود، دلیلی را ایجاد می‌کند که چرا مواد کاتدی غنی از نیکل معمولاً حدود ده درصد ظرفیت خود را پس از اولین چرخه شارژ-تخلیه از دست می‌دهند.

دکتر چائو ژو، نویسنده اول، از دانشگاه شانگهای، گفت: «این مهم است، با توجه به یک استاندارد صنعتی که برای تعیین اینکه آیا باتری باید بازنشسته شود یا نه، زمانی است که 20 درصد ظرفیت خود را از دست داده است، بسیار مهم است.»

محققان اکنون به دنبال رویکردهای جدیدی برای افزایش چگالی انرژی عملی و طول عمر این مواد باتری امیدوارکننده هستند.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است. در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.