افشای اسرار پیری باتری با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته‌ای مانند ام‌آرآی واقعی
پژوهشگران روش جدیدی برای ارزیابی پیری درازمدت در سلول‌های باتری واقعی توسعه داده‌اند.
روش تیم آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) وابسته به وزارت انرژی آمریکا (DOE) بر اساس تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) است که اغلب در تصویربرداری پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
طیف‌سنجی NMR یک تکنیک غیر تهاجمی است که از ویژگی‌های مغناطیسی هسته‌های اتمی برای تحلیل محیط‌های شیمیایی استفاده می‌کند و بینشی به ساختارهای اتمی و واکنش‌ها در مواد باتری ارائه می‌دهد.
به گفته پژوهشگران، این اولین کاربرد طیف‌سنجی NMR است که قادر است با دقت تغییرات شیمیایی در سلول‌های باتری تجاری را در طول دوره‌های عملیاتی طولانی مدت رصد کند.
باریس کی، شیمی‌دان ANL و یکی از نویسندگان این مطالعه، در بیانیه‌ای اعلام کرد: «کاربرد NMR در باتری‌ها تا به امروز محدود بوده است. اما با قابلیت قدرتمند جدیدمان، امیدوارم که به عنوان ابزاری اصلی برای پژوهشگران و تولیدکنندگانی که می‌خواهند تکامل طولانی مدت باتری‌های خود را بدون باز کردن آنها بررسی کنند، تبدیل شود.»
ردیابی حرکت لیتیم
برای تبدیل انرژی ذخیره شده به توان الکتریکی، الکترولیت‌ها یون‌های لیتیم را بین دو الکترود در باتری‌های لیتیم‌یونی منتقل می‌کنند. آندها یا الکترودهای منفی بیشتر باتری‌های لیتیم‌یونی موجود در خودروهای الکتریکی از گرافیت تشکیل شده‌اند. اما برای افزایش دامنه رانندگی، نیاز به مواد الکترودی جدید با تراکم انرژی بالا، مانند سیلیکون، است.
چندین مسئله فنی باید قبل از استفاده کامل از سیلیکون در آند حل شود. یون‌های لیتیم در فرآیند شارژ باتری به ترکیباتی به نام سیلیکید‌های لیتیم تبدیل می‌شوند.
به گفتهٔ پژوهشگران، این امر منجر به افزایش حجم آند تا ۴۰۰ درصد می‌شود. زمانی که سلول تخلیه می‌شود، لیتیم آند را ترک می‌کند و باعث انقباض آن می‌شود.
آند سیلیکون ممکن است به دلیل انبساط و انقباض ترک بخورد. سیلیکید‌های لیتیم نیز بسیار واکنش‌پذیرند و تعامل آنها با الکترولیت سلول به مراتب کمتر پایدار است.
تکنیک طیف‌سنجی NMR در مطالعهٔ ANL برای ردیابی سرنوشت اتم‌های لیتیم در سلول‌های آند سیلیکونی در حین فرآیندهای شارژ و تخلیه و همچنین یک دوره استراحت هفت ماهه استفاده شد. این روش مشابه تصویرسازی مغناطیسی تشدید (MRI) است که در پزشکی برای فراهم آوردن تصاویر جزئی از بدن استفاده می‌شود.
مطالعه تیم به مانند گرفتن MRI از سلول‌های باتری در حال کار بود، اما به جای تصاویر، داده‌هایی درباره تغییرات محیط شیمیایی لیتیم در طی شارژ، تخلیه، استراحت و پیر شدن ارائه داد.
اولویانا وانگ، یکی از نویسندگان اصلی مطالعه و اپوانتهٔ پژوهشگر در ANL، در بیانیه‌ای اعلام کرد: «این اطلاعات به ما امکان داد تا ببینیم اتم‌های لیتیم کجا می‌روند، چگونه با دیگر اتم‌ها تعامل می‌کنند، چه تعداد اتم‌های لیتیم در این تعاملات دخیل هستند و آیا تخریب مرتبطی وجود دارد یا نه. هدف ما فهمیدن این موضوع بود که چرا آندهای سیلیکون به مرور زمان تخریب می‌شوند.»
تحلیل پیشرفته پیری
پژوهشگران آرگون NMR را به منظور مشاهدهٔ پیری در لحظه در سلول‌های باتری کیسه‌ای تجاری اعمال کردند، که اولین بار برای این تکنیک «آپراندو» محسوب می‌شود.
این رویکرد اجازه می‌دهد تا تغییرات ساختاری و الکترونیکی در حین عملیات به طور مداوم رصد شود، برخلاف روش‌های استاندارد که سلول‌ها را بعد از جداسازی ارزیابی می‌کنند. برای بهبود دوام در چرخه طولانی، پژوهشگران آرگون سلول‌هایی تولید کردند که به طور نزدیک به محصولات تجاری مشابه بودند.
به گفته تحقیقات آنها، شارژ کردن مقدار لیتیمی که در دسترس بود را کاهش داد و پتانسیل آند برای ذخیره انرژی را با تجمع اتم‌های لیتیم به عنوان سیلیکید‌های لیتیم کاهش داد.
واکنش لیتیم محبوس شده با الکترولیت منجر به تسریع تخریب شد. با افزودن نمک منیزیم به الکترولیت، آنها روش‌های جدیدی را برای افزایش طول عمر باتری با کاهش تشکیل این سیلیکید‌های لیتیم محبوس پیشنهاد کردند.
به گفتهٔ پژوهشگران، تکنیک انعطاف‌پذیر NMR که به عناصر سیلیکون و لیتیم حساسیت دارد، می‌تواند به فناوری‌های مختلف باتری همانند باتری‌های حالت جامد و سدیم‌یونی اعمال شود و ممکن است راه را برای همکاری بین سازمان‌های پژوهشی باتری و صنایع بگشاید.
جزئیات پژوهش تیم در ژورنال منابع توان منتشر شد.
