خودروهای الکتریکی از همان فناوری باتری لیتیوم یونی که در گوشیهای هوشمند، لپتاپها و سایر قطعات الکترونیکی بکار میرود، استفاده میکنند. اما این فناوری بسیار به آرامی در حال پیشروی است. از طرفی، برای بهبود ظرفیت شارژ باتری‌های لیتیوم یون و افزایش کاربرد خودروهای الکتریکی بایست درک جامعی از نحوه فرسوده شدن باتریها به دست آید.
به این منظور تیمی از محققان دانشگاه پوردو (Purdue) در آمریکا جامعترین بررسی را از الکترودهای باتری لیتیوم یون انجام دادند؛ جاییکه بیشترین تخریب معمولاً در اثر شارژ مکرر باتریها رخ میدهد. شرکتهای باتریسازی میتوانند از این اطلاعات برای طراحی باتری‌های مورد نیاز گوشیهای هوشمند و خودروهای الکتریکی استفاده کنند.
روشی که در این پروژه استفاده شده بر پایه استفاده از دستگاه X-ray بنا نهاده شده که با هوش مصنوعی هدایت میشود. توسط الگوریتم طراحیشده میتوان هزاران ذره درون ساختار الکترود را تا سطح اتمهای سازنده آنها در آنِ واحد پیمایش کرد. در واقع با این الگرویتم میتوان شرایط واقعی را برای کارکرد باتری تحت ولتاژها و سرعتهای مختلف مورد بررسی قرار داد.
روش بررسی ساختار تاکنون به این صورت بوده که یک ذره را در نظر گرفته و آن را به کل ساختار باتری تعمیم میدادند. اما یک خطای فاحش در اینجا وجود داردو آن اینست که تفاوت زیادی بین ذره تکی در مقیاس میکرو و کل باتری در مقیاس بزرگتر وجود دارد.
هر زمانیکه باتری شارژ میشود، یونهای لیتیوم بین الکترود مثبت و الکترود منفی پیشروی و پسروی کرده و با ذرات موجود در الکترود برهمکنش میکنند و منجر به تخریب باتری در گذر زمان میشوند. در نهایت تخریب الکترود باتری باعث کاهش ظرفیت شارژ میشود.
در واقع، امکان اینکه باتری در آنِ واحد هم ظرفیت بالایی داشته و هم پایداری خود را حفظ کند بسیار دشوار است؛ به نحوی که افزایش ظرفیت باتری منجر به کاهش پایداری آن خواهد شد.
تلاش محققان برای پی بردن به نحوه تخریب باتری‌های لیتیوم یون با این کشف مواجه شد که تخریب ذرات باتری در یک لحظه یا یک موقعیت رخ نمیدهد، بلکه برخی ذرات بسیار سریعتر از سایرین تخریب میشوند.
اما برای مطالعه این وضعیت، این تیم نیازمند ابداع روشی جدید بود، زیرا روشهای موجود قادر به ارائه تصویر کلی از الکترودهای باتری نیستند. لذا برای تحقق این امر، محققان از روش synchrotron x-ray استفاده کردند که باعث افزایش سرعت حرکت ذرات به اندازه سرعت نور میشود.
برای بررسی دقیقتر، باتری‌های مختلفی اعم از نوع کیسهای در گوشیهای هوشمند و نوع سکهای در ساعتهای هوشمند بکار رفتند. در ادامه نقشههایی که از نحوه ترک خوردگی و تخریب ذرات تهیه شدند که میتوانند به عنوان منبعی مناسب جهت درک بهتر نحوه تخریب الکترودهای باتری به شمار آیند.
در ادامه برای درک بهتر اینکه چگونه این شکستگیها بر بازده باتری تأثیر میگذارند، محاسبات نظری پیشرفتهای انجام شد. مثلاً یکی از دستاوردها این بود که ذراتی که بیشتر در مواجهه با تحرک یونهای لیتیوم قرار دارند، مثلاً آنهایی که نزدیک سطح جداکننده هستند، بسیار سریعتر از ذرات موجود در ساختار درونی الکترود تخریب میشوند.
این گوناگونی در نحوه تخریب الکترود، در الکترودهای ضخیمتر و در شرایط شارژ سریع، بسیار شدیدتر خواهد بود. گام بعدی محققان این است که دریابند این تخریبها چگونه رخ داده و بر بازده باتری‌های تجاری لیتیوم یون اثر میگذارند.
مقالههای حاصل از این پروژه در کانال شبکه باتری نانو بارگذاری خواهند شد.
