پیشرفت: بازکردن ۲۵٪ ظرفیت پنهان باتری‌های EV با ردیابی یون‌های لیتیوم

محققان دانشگاه فناوری گراتس (TU Graz) در اتریش علت اصلی کاهش ظرفیت باتری‌های لیتیم آهن فسفات (LFP) را شناسایی کرده‌اند.

با استفاده از میکروسکوپی در سطح اتمی و اندازه‌گیری‌های پراش الکترونی، محققان حرکت یون‌های لیتیوم و نحوه تاثیر آن‌ها بر کاهش ظرفیت باتری را بررسی کردند.

باتری‌های LFP اجزای حیاتی انتقال انرژی به منابع پاک‌تر هستند.

چه در خودروهای الکتریکی (EV) و چه در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS)، باتری‌های LFP به دلیل هزینه پایین و عمر طولانی، انتخاب مناسبی برای ذخیره‌سازی انرژی هستند.

باتری‌های LFP نسبت به همتایان نیکل، منگنز و کبالت (NMC) خود چگالی انرژی کمتری دارند، اما علت کاهش ظرفیت آن‌ها به ۲۵٪ ظرفیت تئوریک به‌طور کامل مشخص نبود.

تیم تحقیقاتی TU Graz تصمیم گرفت مشکل را در سطح اتمی بررسی کند تا ظرفیت پنهان باتری‌ها را باز کند.

تحلیل در سطح اتمی

با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی، محققان حرکت یون‌های لیتیوم در ماده باتری و نحوه ترتیب آن‌ها در ساختار شبکه بلورین کاتد آهن فسفات را دنبال کردند.

تیم تحقیقاتی همچنین نمونه‌هایی از الکترودهای باتری کاملاً شارژ و تخلیه شده را آماده و با استفاده از تکنیک‌های دیگر مانند اسپکتروسکوپی از دست دادن انرژی الکترونی و اندازه‌گیری‌های پراش الکترونی آن‌ها را تحلیل کردند.

«با ترکیب روش‌های مختلف، توانستیم موقعیت یون‌های لیتیوم در کانال‌های بلورین و نحوه ورود آن‌ها را تعیین کنیم،» نیکولا شیمیچ از مؤسسه میکروسکوپی الکترونی و تحلیل نانو در TU Graz در بیانیه‌ای گفت.

چه یافتند؟

به‌طور غیرمنتظره، محققان دریافتند که برخی از یون‌های لیتیوم حتی در حالت شارژ کامل نیز در ساختار شبکه بلورین کاتد باقی می‌مانند. این دلیل اصلی کاهش ظرفیت باتری نسبت به حد تئوریک آن بود.

محققان همچنین دریافتند که این یون‌ها به طور ناهماهنگ در کاتد توزیع شده‌اند و نقشه‌برداری آن‌ها در مقیاس نانومتری انجام دادند. توزیع ناهماهنگ به‌دلیل تغییر شکل‌ها و تحریف‌های ساختار بلورین کاتد بود.

این جزئیات اطلاعات مهمی در مورد اثرات فیزیکی که تا کنون بر کارایی باتری تأثیر منفی داشته‌اند، فراهم می‌کنند و می‌توانند در توسعه بیشتر مواد در نظر گرفته شوند، گفت ایلی هانزو، استاد الکتروشیمی پیشرفته در مؤسسه شیمی و فناوری مواد، TU Graz، که در این تحقیق نیز دخیل بود.

محققان اکنون دانشی بهتر از پخش یون‌ها در داخل باتری‌ها و الکترودهای آن‌ها دارند. رویکرد و درس‌های آموخته‌شده از آزمایش‌ها می‌تواند در آینده به سایر باتری‌ها نیز اعمال شود.

روش‌هایی که ما توسعه داده‌ایم و دانشی که درباره پخش یون‌ها به دست آورده‌ایم می‌توانند به دیگر مواد باتری با تنظیمات کوچک منتقل شوند تا آن‌ها را حتی دقیق‌تر شناسایی و توسعه دهیم، افزود شیمیچ در بیانیه خبری.

یافته‌های تحقیق در مجله علم مواد پیشرفته منتشر شده است.