عندما تتدفق أيونات الليثيوم داخل وخارج قطب البطارية أثناء الشحن والتفريغ ، يتسرب قدر ضئيل من الأكسجين وتتسرب البطارية الجهد االكهربى—مقياس لمقدار الطاقة التي يوفرها — يتلاشى قليلاً بنفس القدر. تتراكم الخسائر بمرور الوقت ، ويمكن أن تستنزف في النهاية سعة تخزين طاقة البطارية بنسبة 10-15٪.
قام الباحثون الآن بقياس هذه العملية فائقة البطء بتفاصيل غير مسبوقة ، موضحين كيف أن الثقوب ، أو الوظائف الشاغرة ، التي خلفتها ذرات الأكسجين الهاربة ، تغير بنية القطب والكيمياء ، وتقليل مقدار الطاقة التي يمكن تخزينها تدريجيًا.
تتعارض النتائج مع بعض الافتراضات التي وضعها العلماء حول هذه العملية ويمكن أن تقترح طرقًا جديدة لهندسة الأقطاب الكهربائية لمنعها.
تمكن الباحثون من قياس درجة صغيرة جدًا من الأكسجين المتسرب ، ببطء شديد ، على مدى مئات الدورات. باحث من جامعة ستانفورد عمل على التجارب مع فريق الباحثين. قال "حقيقة أنه بطيء جدًا هو أيضًا ما جعل من الصعب اكتشافه".
كرسي هزاز ذو اتجاهين
تعمل بطاريات الليثيوم أيون مثل الكرسي الهزاز ، حيث تتحرك أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين قطبين كهربائيين يخزنان الشحن مؤقتًا. من الناحية المثالية ، هذه الأيونات هي الأشياء الوحيدة التي تتحرك داخل وخارج مليارات الجسيمات النانوية التي تشكل كل قطب كهربائي. لكن الباحثين عرفوا لبعض الوقت أن ذرات الأكسجين تتسرب من الجسيمات بينما يتحرك الليثيوم ذهابًا وإيابًا. كان من الصعب تحديد التفاصيل لأن الإشارات من هذه التسريبات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بشكل مباشر.
قال الباحث "إن الكمية الإجمالية لتسرب الأكسجين ، أكثر من 500 دورة من شحن البطارية وتفريغها ، تبلغ 6٪". "هذا ليس عددًا صغيرًا ، ولكن إذا حاولت قياس كمية الأكسجين التي تخرج خلال كل دورة ، فهي حوالي واحد على مائة بالمائة."
في هذه الدراسة ، قاس الباحثون التسرب بشكل غير مباشر بدلاً من ذلك ، من خلال النظر في كيفية تعديل فقدان الأكسجين لكيمياء وبنية الجزيئات. لقد قاموا بتتبع العملية على عدة مقاييس طول - من أصغر الجسيمات النانوية إلى كتل الجسيمات النانوية إلى السماكة الكاملة للإلكترود.
نظرًا لصعوبة حركة ذرات الأكسجين في المواد الصلبة في درجات الحرارة التي تعمل فيها البطاريات ، فإن الحكمة التقليدية كانت أن تسرب الأكسجين يأتي فقط من أسطح الجسيمات النانوية ، على الرغم من أن هذا الأمر مطروح للنقاش.
لإلقاء نظرة فاحصة على ما يحدث ، قام فريق البحث بتدوير البطاريات لفترات زمنية مختلفة ، وفصلها عن بعضها البعض ، وتقطيع الجسيمات النانوية للإلكترود لفحصها بالتفصيل في مصدر الضوء المتقدم في مختبر لورانس بيركلي الوطني. هناك ، تم مسح مجهر الأشعة السينية المتخصص عبر العينات ، والتقاط صور عالية الدقة والتحقق من التركيب الكيميائي لكل بقعة صغيرة. تم دمج هذه المعلومات مع تقنية حسابية تسمى ptychography للكشف عن التفاصيل النانوية المقاسة بأجزاء من المليار من المتر.
في هذه الأثناء ، في مصدر ضوء ستانفورد سينكروترون التابع لـ SLAC ، أطلق الفريق أشعة سينية عبر أقطاب كهربائية كاملة للتأكد من أن ما رأوه على مستوى النانو كان صحيحًا أيضًا على نطاق أوسع بكثير.
انفجار ثم هزيلة
بمقارنة النتائج التجريبية بنماذج الكمبيوتر لكيفية حدوث فقد الأكسجين ، خلص الفريق إلى أن دفعة أولية من الأكسجين تتسرب من أسطح الجسيمات ، يليها قطارة بطيئة جدًا من الداخل. عندما تتكتل الجسيمات النانوية معًا لتشكل كتلًا أكبر ، تفقد تلك الموجودة بالقرب من مركز الكتلة كمية أكسجين أقل من تلك الموجودة بالقرب من السطح.
وقال الباحث إن السؤال المهم الآخر هو كيف يؤثر فقدان ذرات الأكسجين على المواد التي تركوها وراءهم. قال: "هذا في الواقع لغز كبير". تخيل أن الذرات الموجودة في الجسيمات النانوية تشبه الكرات المتراصة. إذا استمررت في إخراج ذرات الأكسجين ، فقد ينهار كل شيء ويتكثف ، لأن الهيكل يحب أن يظل مكتظًا بشكل وثيق ".
نظرًا لأنه لا يمكن تصوير هذا الجانب من بنية القطب الكهربي بشكل مباشر ، فقد قارن العلماء مرة أخرى أنواعًا أخرى من الملاحظات التجريبية مع نماذج الكمبيوتر لسيناريوهات مختلفة لفقدان الأكسجين. أشارت النتائج إلى أن الوظائف الشاغرة لا تزال قائمة - لا تتعطل المادة ولا تتكاثف - وتشير إلى كيفية مساهمتها في التدهور التدريجي للبطارية.
عندما يغادر الأكسجين ، تهاجر ذرات المنغنيز والنيكل والكوبالت المحيطة. قال الباحث إن جميع الذرات ترقص خارج مواقعها المثالية. "إعادة ترتيب الأيونات المعدنية هذه ، جنبًا إلى جنب مع التغيرات الكيميائية التي يسببها نقص الأكسجين ، تؤدي إلى تدهور الجهد والكفاءة للبطارية بمرور الوقت. لقد عرف الناس جوانب هذه الظاهرة لفترة طويلة ، لكن الآلية كانت غير واضحة ".
الآن ، قال ، "لدينا هذا الفهم العلمي من القاعدة إلى القمة" لهذا المصدر المهم لـ بطارية التدهور ، مما قد يؤدي إلى طرق جديدة للتخفيف من فقدان الأكسجين وآثاره الضارة.