لعقود من الزمان ، حاول العلماء صنع بطاريات الليثيوم المعدنية الموثوقة. تحتوي خلايا التخزين عالية الأداء هذه على طاقة أكثر بنسبة 50٪ مقارنة بأبناء عمومتها من الليثيوم أيون ، ولكن معدلات الفشل العالية ومشاكل السلامة مثل الحرائق والانفجارات أعاقت جهود التسويق. افترض الباحثون سبب فشل الأجهزة ، لكن الأدلة المباشرة كانت قليلة.
الآن ، تتحدى الصور النانوية الأولى التي تم التقاطها داخل بطاريات معدنية مصنوعة من معدن الليثيوم (وتسمى أيضًا خلايا الأزرار أو بطاريات الساعة) النظريات السائدة ويمكن أن تساعد في جعل البطاريات المستقبلية عالية الأداء ، مثل السيارات الكهربائية ، أكثر أمانًا وقوة وأطول دائم.
قالت عالمة البطاريات كاتي هاريسون ، التي تقود فريق مختبرات سانديا الوطنية لتحسين أداء بطاريات الليثيوم المعدنية ، "نتعلم أننا يجب أن نستخدم مواد فاصلة مضبوطة لمعدن الليثيوم".
منتج ثانوي داخلي يتراكم ويقتل البطاريات
قام الفريق مرارًا وتكرارًا بشحن وتفريغ خلايا عملة الليثيوم المعدنية بنفس التيار الكهربائي عالي الكثافة الذي تحتاجه السيارات الكهربائية لشحنها. مرت بعض الخلايا ببضع دورات ، بينما مرت خلايا أخرى بأكثر من مائة دورة. بعد ذلك ، تم شحن الخلايا إلى Thermo Fisher Scientific في هيلزبورو ، أوريغون ، لتحليلها.
عندما راجع الفريق صور البطاريات من الداخل ، توقعوا العثور على رواسب من الليثيوم على شكل إبرة تغطي البطارية. يعتقد معظم الباحثين في مجال البطاريات أن ارتفاع الليثيوم يتشكل بعد التدوير المتكرر وأنه يخترق فاصلًا بلاستيكيًا بين الأنود والكاثود ، مكونًا جسرًا يتسبب في حدوث قصور. لكن الليثيوم معدن ناعم ، لذلك لم يفهم العلماء كيف يمكن أن يمر عبر الفاصل.
وجد فريق هاريسون سببًا مفاجئًا ثانيًا: تراكم صلب تشكل نتيجة ثانوية للتفاعلات الكيميائية الداخلية للبطارية. في كل مرة يتم فيها إعادة شحن البطارية ، ينمو المنتج الثانوي ، الذي يسمى الطور البيني للكهرباء الصلبة. سدّ الليثيوم ، قام بتمزيق ثقوب في الفاصل ، وخلق فتحات لتنتشر الرواسب المعدنية وتشكل فتحات قصيرة. كانت رواسب الليثيوم والنواتج الثانوية معًا أكثر تدميراً مما كان يُعتقد سابقًا ، حيث كانت تعمل بشكل أقل كإبرة وأكثر مثل كاسحة ثلج.
قال الباحث: "تم تمزيق الفاصل تمامًا" ، مضيفًا أن هذه الآلية تمت ملاحظتها فقط في ظل معدلات الشحن السريع اللازمة لـ السيارة الكهربائية التقنيات ، ولكن ليس أبطأ معدلات الشحن.
بينما يفكر علماء سانديا في كيفية تعديل مواد الفصل ، يقول الباحث إنه ستكون هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من البحث لتقليل تكوين المنتجات الثانوية.
يقرن العلماء بين الليزر وعلم التبريد لالتقاط صور "رائعة"
من الصعب بشكل مدهش تحديد سبب وفاة بطارية تعمل بالعملة المعدنية. تأتي المشكلة من غلافها المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ. يحد الغلاف المعدني مما يمكن للتشخيصات ، مثل الأشعة السينية ، رؤيته من الخارج ، بينما تؤدي إزالة أجزاء من الخلية للتحليل إلى تمزيق طبقات البطارية وتشويه أي دليل قد يكون بداخله.
قال أحد الباحثين: "لدينا أدوات مختلفة يمكنها دراسة المكونات المختلفة للبطارية ، ولكن في الحقيقة ليس لدينا أداة يمكنها حل كل شيء في صورة واحدة".
استخدم الباحث والمتعاونون معه مجهرًا يحتوي على ليزر لطحن الغلاف الخارجي للبطارية. قاموا بإقرانها بحامل عينة يحافظ على تجمد السائل المنحل بالكهرباء في الخلية عند درجات حرارة تتراوح بين سالب 148 و -184 درجة فهرنهايت (ناقص 100 و 120 درجة مئوية على التوالي) ينشئ الليزر فتحة كبيرة بما يكفي لدخول شعاع إلكتروني ضيق والارتداد إلى الكاشف ، مما يوفر صورة عالية الدقة للمقطع العرضي الداخلي للبطارية بتفاصيل كافية لتمييز المواد المختلفة.
تم تصنيع أداة العرض الأصلية ، والتي كانت الأداة الوحيدة من نوعها في الولايات المتحدة في ذلك الوقت ، ولا تزال موجودة في مختبر Thermo Fisher Scientific في ولاية أوريغون. نسخة محدثة موجودة الآن في Sandia. سيتم استخدام الأداة على نطاق واسع عبر سانديا للمساعدة في حل العديد من المواد ومشاكل تحليل الفشل.
