اخبار – همانطور که در حال عبور از باتری است، مواد آن در طول زمان تحلیل می رود. تأثیرات مکانیکی مانند تنش و کرنش بر این مسیر تأثیر می‌گذارد، اگرچه تأثیر آنها بر کارایی و طول عمر باتری کاملاً شناخته نشده است.

تیمی به سرپرستی محققان آزمایشگاه ملی Oak Ridge وزارت انرژی چارچوبی را برای طراحی حالت جامد ایجاد کردند. باتری ها، یا SSB ها، با توجه به مکانیک. کاغذ آنهامنتشر شده در علوم پایهبررسی چگونگی تغییر این عوامل SSB ها در طول چرخه خود.

سرگی کالناوس، دانشمند در گروه مدل‌سازی و جریان‌های چندفیزیکی ORNL می‌گوید: «هدف ما برجسته کردن اهمیت مکانیک در عملکرد باتری است. بسیاری از مطالعات بر روی خواص شیمیایی یا الکتریکی تمرکز کرده‌اند، اما از نشان دادن مکانیک‌های اساسی غفلت شده‌اند.

این تیم چندین حوزه تحقیقاتی را در ORNL شامل محاسبات، شیمی و علم مواد انجام می دهد. بررسی آنها با هم، تصویر منسجم تری از شرایطی را که بر SSB ها تأثیر می گذارد، با استفاده از دیدگاه های سراسر طیف علمی ترسیم می کند. کالناوس گفت: “ما در تلاش هستیم تا شکاف بین رشته ها را از بین ببریم.”

که در باتری ها، ذرات باردار از موادی به نام الکترولیت عبور می کنند. بیشتر آنها مایعات هستند، مانند لیتیوم یون باتری ها در خودروهای الکتریکی یافت می شود، اما الکترولیت های جامد نیز در حال توسعه هستند. این سیم ها معمولاً از شیشه یا سرامیک ساخته می شوند و می توانند مزایایی مانند افزایش ایمنی و استحکام را ارائه دهند.

«حالت جامد واقعی باتری ها آنها هیچ مایع قابل اشتعال در داخل ندارند.” Kalnaus گفت. این بدان معناست که آنها کمتر خطرناک خواهند بود باتری ها امروزه معمولا استفاده می شود.

با این حال، الکترولیت های جامد به دلیل چالش های مرتبط با این مواد جدید، هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند. اجزای SSB در حین بارگیری و حمل و نقل انبوه متورم و منقبض می شوند که سیستم را تغییر می دهد. کالناوس گفت: «الکترودها به طور مداوم در حین کار با باتری تغییر شکل می‌دهند و لایه لایه شدن و حفره‌هایی را در سطح مشترک با الکترولیت جامد ایجاد می‌کنند. در سیستم های امروزی، بهترین راه حل اعمال فشار زیاد برای حفظ همه چیز است.

این تغییرات ابعادی به الکترولیت های جامد که از مواد شکننده ساخته شده اند، آسیب می رساند. آنها اغلب در پاسخ به استرس و فشار می شکنند. انعطاف پذیرتر کردن این مواد به آنها اجازه می دهد تا به جای ترک خوردن، با تسلیم شدن، در برابر تنش مقاومت کنند. این رفتار را می توان با برخی از تکنیک هایی که عیوب کریستالی کوچک را در الکترولیت های سرامیکی ایجاد می کنند، به دست آورد.

الکترون ها از طریق آندها از سیستم خارج می شوند. در SSB ها، این جزء می تواند از لیتیوم خالص ساخته شود که پر انرژی ترین فلز است. در حالی که این ماده مزایایی برای انرژی باتری دارد، همچنین فشاری ایجاد می کند که می تواند به الکترولیت ها آسیب برساند.

در طول شارژ، پوشش ناهموار و فقدان مکانیسم‌های کاهش استرس می‌تواند تمرکز استرس را ایجاد کند. اریک هربرت، رئیس گروه خواص مکانیکی و مکانیک ORNL می گوید: آنها می توانند فشارهای بالایی را تحمل کنند و به فلز لیتیوم اجازه جاری شدن می دهند. “برای بهینه سازی عملکرد و طول عمر SSBها، ما باید نسل بعدی آندها و الکترولیت های جامد را طراحی کنیم که بتوانند رابط های مکانیکی پایداری را بدون از بین بردن جداکننده الکترولیت جامد حفظ کنند.”

کار این تیم بخشی از تاریخ طولانی ORNL در تحقیق در مورد مواد برای SSB ها است. در اوایل دهه 1990، یک الکترولیت شیشه ای به نام لیتیوم فسفر اکسی نیترید یا LiPON در آزمایشگاه ساخته شد. LiPON به طور گسترده ای به عنوان یک الکترولیت لایه نازک استفاده می شود باتری ها که دارای آند لیتیوم فلزی هستند. این قطعه می تواند بسیاری از چرخه های شارژ-تخلیه را بدون خرابی تحمل کند که عمدتاً به دلیل انعطاف پذیری LiPON است. هنگامی که با عوامل استرس زا مکانیکی مواجه می شود، به جای ترک خوردن، جریان می یابد.

نانسی دادنی، دانشمند ORNL که رهبری تیم سازنده این ماده را برعهده داشت، گفت: «در سال‌های اخیر، ما آموخته‌ایم که LiPON دارای خواص مکانیکی قوی است که دوام شیمیایی و الکتروشیمیایی آن را تکمیل می‌کند.

تلاش‌های این تیم جنبه‌ای از SSB‌ها را نشان می‌دهد که مورد مطالعه قرار نگرفته است – درک عواملی که طول عمر و کارایی آنها را شکل می‌دهند. کالناوس گفت: «جامعه تحقیقاتی به یک نقشه راه نیاز داشت. در مقاله خود، ما مکانیک مواد الکترولیت حالت جامد را ترسیم می کنیم و دانشمندان را تشویق می کنیم که آنها را هنگام طراحی جدید در نظر بگیرند. باتری ها“

UT-Battelle آزمایشگاه ملی Oak Ridge را برای دفتر علوم وزارت انرژی اداره می کند. دفتر علوم که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.