يمكن للأقطاب الكهربائية أحادية البلورة التسريع من عملية تصميم أنظمة البطاريات الجديدة
تاريخ: 4 مايو 2020
مصدر: وزارة الطاقة / مختبر أرجون الوطني
ملخص:
قام العلماء بأنشاء واختبار قطب كهربائي أحادي البلورة
يشير الى اكتشافات جديدة للبطاريات المتقدمة
في السيارات الكهربائية والإلكترونيات والتطبيقات الأخرى ومايزال قيد التطوير في جميع
أنحاء العالم.
قام العلماء في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة
الطاقة الأمريكية (DOE) بإنشاء واختبار قطب كهربائي أحادي البلورة يعد بإنتاج اكتشافات
محورية للبطاريات المتقدمة قيد التطوير في جميع أنحاء العالم للسيارات الكهربائية والإلكترونيات
الاستهلاكية والتطبيقات الأخرى. تعاون في المشروع باحثون من جامعة نورث وسترن وجامعة
إلينوي في شيكاغو.
مواد القطب في البطاريات المتقدمة هي "متعدد
البلورات" ، مما يعني أن لديها العديد من المناطق البلورية ذات التوجهات المختلفة.
نظرًا لأن الأقطاب الكهربائية متعددة البلورات بسيطة نسبيًا في التصنيع ، فقد ركز العلماء
في أبحاث البطاريات السابقة على تجربة هذه المواد ، المليئة بأنواع مختلفة من العيوب
داخل الهياكل المرتبة التي يمكن أن تؤثر غالبًا على الأداء.
أشارت سانجا تيبافسيفيتش ، عالمة مساعدة في علم المواد
في Argonne: "لقد أدركنا أن البلورات المفردة يمكن أن تلعب دورًا حيويًا
في تحديد طرق جديدة واعدة لفهم ، على المستويين الذري والجزيئي ، للكيميائيات التي
تتحكم في عمليات تفريغ الشحنات في البطاريات ذات الأقطاب الكهربائية متعددة البلورات".
قطاع.
كنظام نموذجي للبحث في الكاثود أحادي البلورة ، اختار
الفريق بطارية أيون الصوديوم قيد التطوير للتنافس مع بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
عامل الجذب الرئيسي لهذه البطاريات هو أن الصوديوم عنصر أكثر وفرة بكثير من الليثيوم
المستخدم لبطاريات أيونات الليثيوم.
أعد الفريق بلورات مفردة من أكسيد الصوديوم-إيريديوم (Na2IrO3) واستخدمها كمادة كاثود في خلايا الاختبار الصغيرة. للمقارنة ، قاموا أيضًا باختبار
الخلايا المماثلة مع الكاثودات متعددة البلورات. من خلال الاعتماد على المرافق العلمية
في Argonne - على وجه الخصوص ، مصدر الفوتون المتقدم (APS) ، وهو مرفق مستخدم
مكتب DOE للعلوم - يمكنهم تحديد الموقع الدقيق لكل ذرة في البنية البلورية للحالات المختلفة
لشحنة الخلية و إبراء الذمة.
قال تيبافسيفيتش: "هذا المشروع ببساطة ما كان
ليصبح ممكناً لولا موارد توصيف المواد غير العادية في وكالة الأنباء الجزائرية".
"لقد استفدنا أيضًا بشكل كبير من خبرة عضو الفريق جنيفر هونغ زينغ في قدرتها العالمية
على تنمية البلورات الفردية لمواصفات دقيقة."
تم تعلم الكثير عن كيمياء الكاثود أثناء دورة التفريغ
للشحن لخلايا الاختبار. على وجه الخصوص ، حقق الفريق في أصل السعة الإضافية التي تتجاوز
تلك المتوقعة لهيكل نقطة نهاية NaIrO3.
قال تيبافسيفيتش: "من خلال بلوراتنا الفردية
، استطعنا فصل السطح عن التأثيرات السائبة التي لم تكن واضحة في العمل السابق مع المواد
متعددة البلورات وحدها". أثبت الفريق أن السعة الإضافية تنبع من التفاعلات السطحية
، وليس الجزء الأكبر من المادة كما كان يعتقد سابقًا.
من المهم لتحسين تصميم البطارية معرفة كيف ولماذا
تحدث تغييرات المواد أثناء الدوران. من نتائج
اختباراتهم ، حدد الفريق التركيب الكيميائي للمراحل الثلاثة المميزة التي تشكلت أثناء
الشحن ، لم يعرف اثنان منها من قبل. ووجدوا أيضًا أن سعة الخلية تلاشت مع الدوران بسبب
تكوين مرحلة ضارة جديدة على الشحن ، والتي استمرت أثناء التفريغ ونمت في الحجم مع رقم
الدورة.
قال جون ميتشل ، زميل أرجون المتميز في قسم علم المواد:
"لقد تعلمنا المزيد عن بطاريات أيونات الصوديوم باستخدام أقطابنا أحادية البلورة
مما كنا نعتقد أنه ممكن في بداية المشروع. "من الواضح أن البلورات المفردة تفتح
النافذة لفهم أفضل للتحولات الكيميائية والإلكترونية التي تتحكم في تخزين الطاقة وإطلاقها
في جميع أنواع البطاريات ، بالإضافة إلى آليات التحلل الخاصة بها مع التدوير."
مع هذه المعرفة ، سيكون باحثو البطاريات في المستقبل قادرين على تطوير قواعد التصميم
لتجميع المواد الكريستالية الجديدة والمحسنة مع الوظائف المطلوبة.
المصادر
- Materials provided by DOE/Argonne National Laboratory. Note: Content may be edited for style and length.
- Sanja Tepavcevic, Hong Zheng, David G. Hinks, Baris Key, Logan Ward, Zhi Lu, Costas Stoumpos, Yang Ren, John W. Freeland, Christopher Wolverton, Patrick Phillips, Robert Klie, John F. Mitchell, Nenad M. Markovic. Fundamental Insights from a Single‐Crystal Sodium Iridate Battery. Advanced Energy Materials, 2020; 10 (10): 1903128 DOI: 10.1002/aenm.201903128
اعداد: علي ثاير النعيمي
Comments
Post a Comment