כאשר יוני ליתיום זורמים פנימה ומחוצה לה אלקטרודת סוללה במהלך טעינה ופריקה, מעט חמצן זולג החוצה ושל הסוללה מתח- מדד לכמות האנרגיה שהוא מספק - דוהה מעט לא פחות. ההפסדים גוברים לאורך זמן, ובסופו של דבר יכולים לספוג את קיבולת אחסון האנרגיה של הסוללה ב 10-15%.
כעת מדדו החוקרים את התהליך הסופר-איטי הזה עם פירוט חסר תקדים, והראו כיצד החורים, או הריקות, שנותרו על ידי בריחת אטומי חמצן משנים את מבנה האלקטרודה ואת הכימיה ומפחיתים בהדרגה כמה אנרגיה היא יכולה לאגור.
התוצאות סותרות כמה מההנחות שמדענים הניחו לגבי תהליך זה ויכולות להציע דרכים חדשות של אלקטרודות הנדסיות למניעתו.
החוקרים הצליחו למדוד מידה זעירה מאוד של חמצן שמטפטף החוצה, לאט לאט, לאורך מאות מחזורים. חוקר מסטנפורד שעבד על הניסויים עם צוות החוקרים. אמר "העובדה שזה כל כך איטי היא גם מה שהקשה על הגילוי."
כסא נדנדה דו כיווני
סוללות ליתיום-יון עובדות כמו כיסא נדנדה, ומניעות יוני ליתיום קדימה ואחורה בין שתי אלקטרודות המאחסנות טעינה זמנית. באופן אידיאלי, יונים אלה הם הדברים היחידים שעוברים ונכנסים מתוך מיליארדי החלקיקים הננו המרכיבים כל אלקטרודה. אך חוקרים ידעו מזה זמן כי אטומי חמצן דולפים מהחלקיקים כאשר ליתיום נע קדימה ואחורה. קשה היה לאתר את הפרטים מכיוון שהאותות מהדלפות אלה קטנים מדי למדידה ישירה.
"הכמות הכוללת של דליפת חמצן, מעל 500 מחזורי טעינה ופריקה של הסוללה, היא 6%", אמר החוקר. "זה לא מספר כל כך קטן, אבל אם אתה מנסה למדוד את כמות החמצן שיוצאת במהלך כל מחזור, זה בערך מאה אחוז."
במחקר זה מדדו החוקרים את הדליפה בעקיפין במקום זאת על ידי בחינת אובדן חמצן המשנה את הכימיה והמבנה של החלקיקים. הם עקבו אחר התהליך בכמה סולמות אורך - החל בחלקיקים הזעירים ביותר ועד לגושי חלקיקים עד עובי מלא של אלקטרודה.
מכיוון שקשה כל כך לאטומי החמצן להסתובב בחומרים מוצקים בטמפרטורות שבהן סוללות פועלות, החוכמה המקובלת הייתה שדליפות החמצן מגיעות רק ממשטחי החלקיקים, אמר החוקר, אם כי הדבר עמד לדיון.
כדי לבחון מקרוב את המתרחש, צוות המחקר רכב על סוללות לפרקי זמן שונים, פירק אותם וחתך את חלקיקי האלקטרודה לבדיקה מפורטת במקור האור המתקדם של המעבדה הלאומית לורנס ברקלי. שם, מיקרוסקופ רנטגן ייעודי שנסרק על פני הדגימות, ויצר תמונות ברזולוציה גבוהה וחיטט את ההרכב הכימי של כל נקודה זעירה. מידע זה שולב בטכניקה חישובית הנקראת ptychography לחשיפת פרטים בקנה מידה ננו, שנמדד במיליארדי מטר.
בינתיים, במקור האור של סטנפורד סינכרוטרון של SLAC, הצוות ירה בצילומי רנטגן דרך אלקטרודות שלמות כדי לאשר שמה שהם רואים ברמה של ננו נכון גם בקנה מידה גדול בהרבה.
פרץ ואז טפטוף
בהשוואה בין תוצאות הניסוי למודלים ממוחשבים כיצד אובדן חמצן עלול להתרחש, הצוות הגיע למסקנה שפרץ חמצן ראשוני בורח ממשטחי החלקיקים, ואחריו טפטוף איטי מאוד מהפנים. כאשר חלקיקי ננו צצו יחד ויצרו גושים גדולים יותר, אלו הסמוכים למרכז הגוש איבדו פחות חמצן מאלו הסמוכים לפני השטח.
שאלה חשובה נוספת, אמר החוקר, היא כיצד אובדן אטומי החמצן משפיע על החומר שהשאירו. "זו בעצם תעלומה גדולה," אמר. "דמיין שהאטומים בחלקיקים הם כמו כדורים קרובים. אם תמשיך להוציא אטומי חמצן החוצה, כל העניין עלול להתרסק ולהתעבות, כי המבנה אוהב להישאר דחוס. "
מכיוון שלא ניתן היה לדמות ישירות להיבט זה של מבנה האלקטרודה, השוו המדענים שוב סוגים אחרים של תצפיות ניסיוניות מול מודלים ממוחשבים של תרחישים שונים של אובדן חמצן. התוצאות הצביעו על כך שהמשרות הפנויות אכן נמשכות - החומר אינו מתרסק ומתעבה - ומציעות כיצד הן תורמות לירידה הדרגתית של הסוללה.
"כשעוזב חמצן נודדים אטומי מנגן, ניקל וקובלט. כל האטומים רוקדים מתוך העמדות האידיאליות שלהם, "אמר החוקר. "סידור מחדש זה של יוני מתכת, יחד עם שינויים כימיים הנגרמים על ידי החמצן החסר, משפיל את המתח והיעילות של הסוללה לאורך זמן. אנשים מכירים היבטים של תופעה זו זמן רב, אך המנגנון לא היה ברור. "
כעת, לדבריו, "יש לנו את ההבנה המדעית הזו מלמטה למעלה" של המקור החשוב הזה של סוללה השפלה, שעלולה להוביל לדרכים חדשות להפחתת אובדן חמצן והשפעותיו המזיקות.