تم تطوير مجهر جديد لتصميم بطاريات عالية الأداء بشكل أفضل. يمنح الابتكار الباحثين رؤية داخلية لكيفية عمل البطاريات
لقد غيرت بطاريات الليثيوم أيون الحياة اليومية – فكل شخص تقريبًا لديه هاتف ذكي ، ويمكن رصد المزيد من السيارات الكهربائية على الطرق ، كما أنها تحافظ على مولدات الطاقة أثناء حالات الطوارئ. مع ظهور المزيد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة والمركبات الكهربائية وتطبيقات الشبكة واسعة النطاق عبر الإنترنت ، يستمر الطلب على البطاريات ذات كثافة الطاقة العالية الآمنة والميسورة التكلفة في الازدياد.
الآن ، قام فريق بحثي بجامعة هيوستن ، بالتعاون مع باحثين من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني ومختبر أبحاث الجيش الأمريكي ، بتطوير مجهر أوبراندو للتداخل الانعكاسي (RIM) الذي يوفر فهمًا أفضل لكيفية عمل البطاريات ، والتي لها آثار كبيرة للجيل القادم من البطاريات.
قال Xiaonan Shan ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية Cullen للهندسة بجامعة UH والمؤلف المقابل لدراسة نشرت في مجلة Nature تقنية النانو. “يوفر هذا نظرة ثاقبة للتصميم العقلاني للأطوار البينية ، وهو مكون للبطارية كان أقل الحواجز فهماً والأكثر تحدياً لتطوير الإلكتروليتات للبطاريات المستقبلية.”
يسمح المجهر شديد الحساسية للباحثين بدراسة طبقة SEI ، وهي طبقة رقيقة وهشة للغاية على سطح قطب البطارية الذي يحدد أداء البطارية. يتغير تركيبها الكيميائي ومورفولوجيتها باستمرار – مما يجعلها تحديًا للدراسة.
ووضح يان ياو : “يلزم وجود أداة تصوير أوبراندو ديناميكية وغير جراحية وعالية الحساسية لفهم تكوين وتطور SEI. مثل هذه التقنية القادرة على التحقيق المباشر في SEI كانت نادرة ومرغوبة للغاية”.
“يان ياو ، هو أستاذ هيو روي وليلي كرانز كولين المتميزان في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات والمؤلف المشارك الذي عمل مع Shan “شان” في هذا المشروع على مدى السنوات الأربع الماضية. وهو أيضًا الباحث الرئيسي في مركز تكساس للموصلية الفائقة في جامعة هيوستن.”
وأضاف ياو ،: “لقد أثبتنا الآن أن RIM هي الأولى من نوعها التي تقدم نظرة ثاقبة لآلية عمل طبقة SEI وتساعد في تصميم بطاريات عالية الأداء أفضل”.
كيف تعمل
طبق فريق البحث مبدأ الفحص المجهري لانعكاس التداخل في المشروع ، حيث تم توجيه شعاع الضوء – المتمركز في 600 نانومتر وعرض الطيف حوالي 10 نانومتر – نحو الأقطاب الكهربائية وطبقات SEI وانعكس. تحتوي الكثافة الضوئية المجمعة على إشارات تداخل بين طبقات مختلفة ، وتحمل معلومات مهمة حول عملية تطور SEI وتسمح للباحثين بمراقبة عملية التفاعل بأكملها.
“إن RIM حساسة للغاية للتغيرات السطحية ، والتي تمكننا من مراقبة نفس الموقع بدقة مكانية وزمنية عالية على نطاق واسع ،” قال طالب الدراسات العليا في جامعة UH ، جوانجشيا فينج ، الذي أجرى الكثير من العمل التجريبي في المشروع.
لاحظ الباحثون أن معظم الباحثين في مجال البطاريات يستخدمون حاليًا مجاهر إلكترونية تعمل بالتبريد ، والتي تلتقط صورة واحدة فقط في وقت معين ولا يمكنها تتبع التغييرات باستمرار في نفس الموقع.
وأضاف شان ، المتخصص في تطوير تقنيات التصوير وتقنيات قياس الطيف لدراسة الكهروكيميائية ردود الفعل في تخزين الطاقة والتحويلات. يمكن أيضًا تطبيق تقنية التصوير الجديدة هذه على أحدث أنظمة تخزين الطاقة.
اما فنغ Feng، الحاصلة على درجة الدكتوراه. في الهندسة الكهربائية من UH في عام 2022 ، تخطط لمتابعة مزيد من البحث في المجال المتنامي لتكنولوجيا البطاريات.
وقالت “لتحقيق الجيل القادم من البطاريات ، من الضروري فهم آليات التفاعل والمواد الجديدة” ، مضيفة أن تطوير بطاريات طاقة أعلى يفيد البيئة أيضًا. “لطالما أردت أن أكون عالمًا لأن بإمكانهم تحقيق أشياء عظيمة للناس وتغيير العالم للأفضل.”
