دانشمندان آمریکایی با استفاده از نوترون‌ها باتری‌های حالت‌جامد امن‌تر و سریع‌تر توسعه می‌دهند

یک تیم دانشمندانی به رهبری دانشگاه دوک کشف کرده‌اند که چگونه باتری‌هایی بسازند که ایمن‌تر، سریع‌تر شارژ شوند و عمر بیشتری داشته باشند.

این پیشرفت با درک عمیق‌تر حرکت اتمی لیتیوم در ماده نویدبخش حالت‌جامد باتری، لیتیوم فسفر کلرید گوگردی (Li6PS5Cl) به دست آمد. برای این منظور، محققان در آزمایشگاه ملی اوک ریج پخش نوترونی انجام دادند.

آقای اولیویه دلر، استاد دانشگاه دوک و رهبر تیم تحقیقاتی گفت: "تحقیق ما درباره این بود که بفهمیم در درون این مواد چه می‌گذرد، با استفاده از قدرت پخش نوترونی و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای بزرگ‌مقیاس."

لیتیوم فسفر کلرید گوگردی (Li6PS5Cl) نوعی ماده باتری حالت‌جامد است که به عنوان یک ترکیب ابر یونی شناخته می‌شود.

محققان در مطالعه‌ای توضیح دادند: "مواد ابر یونی نماینده یک حالت میانی بین حالت جامد کریستالی و مایع در مواد هستند."

ترکیب تجربی و محاسباتی

تیم از نوترون‌ها در مرکز منبع نوترون انفجاری اوک ریج (SNS) برای بررسی ساختار اتمی این ماده استفاده کرد.

این آزمایش‌ها با شبیه‌سازی‌های پیشرفته رایانه‌ای در مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی همراه شد. این ترکیب از روش‌های تجربی و محاسباتی، دیدی دقیق و در سطح اتمی از رفتار یون‌های لیتیوم درون جامد ارائه داد.

آن‌ها دریافتند که یون‌های لیتیوم به آسانی در این ماده جامد حرکت می‌کنند همان‌طور که در الکترولیت‌های مایع حرکت می‌کنند. این مشاهده بسیار مهم است زیرا تحرک یون‌ها برای عملکرد باتری اساسی است.

برای رخ دادن شارژ و تخلیه، یون‌ها باید بین ترمینال‌های باتری به راحتی حرکت کنند. راحتی حرکت لیتیوم در این ماده جامد نشان‌دهنده پتانسیل برای شارژ سریع‌تر و امن‌تر است.

این یافته‌ها می‌توانند به الکترولیت‌های حالت‌جامد نسل بعدی (SSEs) منجر شوند که مزایای هر دو نوع الکترولیت جامد و مایع را ترکیب کنند.

دلر اظهار داشت: "دو چالش بزرگ، اما همچنین فرصت‌هایی که با آن مواجه هستیم، درک چگونگی کار کردن این مواد و طراحی نسل بعدی باتری‌ها است. پخش نوترونی در طراحی این مواد الزامی است.”

نقش حیاتی نوترون‌ها

در حالی که الکترولیت‌های حالت جامد مزایایی مانند چگالی انرژی بالاتر، افزایش ایمنی، و کاهش خطر سوختن در مقایسه با الکترولیت‌های مایع ارائه می‌دهند، به دلیل کاهش تحرک یون‌ها با چالش‌هایی روبرو بوده‌اند. یون‌ها باید برای شارژ و تخلیه به راحتی حرکت کنند و الکترولیت‌های مایع به طور سنتی در این زمینه کاراتر بوده‌اند.

تیم از نوترون‌ها برای مطالعه رفتار لیتیوم استفاده کرد زیرا نوترون‌ها به طور خاص حساس به عناصر سبک مانند لیتیوم هستند و اطلاعات حیاتی درباره ماده ابر یونی حالت‌جامد ارائه می‌دهند.

آقای داگ ابرنثی، رهبر گروه طیف‌سنجی هندسی مستقیم SNS، گفت: "نوترون‌ها اطلاعاتی درباره جاهایی که اتفاقاتی رخ می‌دهد ارائه می‌کنند که به‌غیر ممکن بود از دیدن آن‌ها به روش‌های دیگر برسیم."

با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی نوترون در SNS، شامل طیف‌نگار پهنه‌ای دامنه زاویه گسترده (ARCS) و طیف‌نگار متقاطع (BASIS)، دانشمندان پخش لیتیوم را اندازه‌گیری و مدل‌سازی کردند و حرکت شگفت‌انگیزانه آسان آن درون ماده جامد را آشکار کردند.

تأثیر و روند تحقیقات

نارش اوستی، دانشمند پخش نوترون در ORNL، نتیجه‌گیری کرد: "یافته‌های ما تأثیرگذارند زیرا درهای بهینه‌سازی هدایت یون‌های درون ماده را باز می‌کنند و بدین ترتیب مسیری برای افزایش عملکرد باتری آزاد می‌کنند."

بخش انرژی در حال حاضر با توسعه‌ها در اطراف باتری‌های حالت‌جامد سرگرم شده است.

از آنجا که وعده‌ی انقلابی کردن چندین صنعت، از خودروهای برقی گرفته تا دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی را می‌دهند، محققان در سراسر جهان در حال پیشرفت این باتری‌ها هستند.

اخیراً، یک تیم تحقیقاتی ژاپنی باتری لیتیوم-یونی (LIB) حالت‌جامد شبه‌جامدی ایجاد کرد که ضد شعله است.

علاوه بر این، استارت‌آپ آمریکایی QuantumScape تولید کم‌حجم از سلول‌های نمونه B خود را آغاز کرده که تا 80 درصد در ۱۵ دقیقه شارژ می‌شوند و چگالی انرژی 800 Wh/L ارائه می‌دهند.