Daha iyi, daha hızlı, daha güçlü: Patlamayan pilleri tasarlama

July 11, 2018

Eski bir deyiş var: "Kaçmayı öğrenmeden önce yürümeyi öğrenmelisin." Bu tür bilgeliğe rağmen, birçok endüstri temelleri atlar ve pil endüstrisi de dahil olmak üzere maratona kaydolur.

Lityum iyon piller, gelişmiş depolama kapasitesi için inanılmaz bir vaatte bulunur, ancak bunlar uçucudur. Hepimiz telefonlarda lityum iyon pilleri hakkındaki haberleri duyduk - özellikle Samsung Galaxy 7 - telefonların ateşe neden olmasına neden oluyor.

Problemin çoğu, batarya içindeki yanıcı sıvı elektrolit kullanımından kaynaklanmaktadır. Bir yaklaşım, bir lityum metal elektrot ile birlikte yanıcı olmayan bir katı elektrolit kullanmaktır. Bu, bataryanın enerjisini arttırırken aynı zamanda yangın olasılığını da azaltır.

Esasen, hedef patlamayan yeni nesil katı hal pilleri inşa ediyor. Yolculuk, lityumun temelini anlamaktır.

Michigan Teknoloji Üniversitesinde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Erik Herbert “Herkes sadece pilin enerji depolama bileşenlerine bakıyor” diyor. "Çok az sayıda araştırma grubu, mekanik elemanların anlaşılmasıyla ilgileniyor. Ama düşük ve dikkatle, lityumun mekanik özelliklerinin, bulmacanın anahtar parçası olabileceğini keşfediyoruz."

Michigan Teknik araştırmacıları, Malzeme Araştırmaları Derneği ve Cambridge University Press tarafından ortaklaşa yayınlanan Journal of Materials Research dergisinde davet edilen üç kağıt serisinde bugün yayınlanan sonuçlarla lityumun temel bir anlayışını kazanmaya önemli ölçüde katkıda bulunuyorlar. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Herbert ve Stephen Hackney, Michigan Tech'de yüksek lisans öğrencisi olan Violet Thole, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda Nancy Dudney ve Uluslararası Pudra Metalurji ve Yeni Malzeme Araştırma Merkezi'nde Sudharshan Phani ile birlikte Lityumun yeni nesil pillerin performans ve güvenliğini kontrol etmedeki mekanik davranışının önemini vurgulamaktadır.

Donma-çözülme döngüsüne zarar veren beton gibi, lityum dendritler pillere zarar verir

Lityum, yanıltıcı davranmaya eğilimli olan son derece reaktif bir metaldir. Ama aynı zamanda enerji depolamakta da çok iyidir. Telefonlarımızın (ve bilgisayarların, tabletlerin ve diğer elektronik cihazların) mümkün olan en kısa sürede şarj edilmesini istiyoruz ve bu nedenle pil üreticileri çift basınçla karşı karşıya kalıyor: Çok hızlı şarj olan ve katot ile anod arasındaki şarjı olabildiğince hızlı bir şekilde geçiren piller tekrar tekrar şarj edilmelerine rağmen pilleri güvenilir hale getirin.

Lityum çok yumuşak bir metaldir, ancak batarya çalışması sırasında beklenildiği gibi davranmaz. Bir pilin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında ayrılmaz şekilde meydana gelen montaj basıncı, lityum anot ve katı elektrolit ayırıcısı arasındaki arayüzde önceden var olan ve kaçınılmaz mikroskobik kusurları (oluklar, gözenekler ve çizikler) doldurmak için dendrit denilen mikroskobik parmaklara yol açar.

Devam eden bisiklete binme sırasında, bu dendritler anot ve katodu fiziksel olarak ayıran katı elektrolit tabakasına doğru ve en sonunda da girebilirler. Bir dendrit katoda ulaştığında, cihaz kısa devre yapar ve çoğu zaman felaketle sonuçlanır. Herbert ve Hackney'in araştırması, lityumun katı hal pili şarjı ve boşalması sırasında doğal olarak oluşan baskıyı nasıl azalttığına odaklanmaktadır.

Çalışmaları, mikron altı uzunluk skalalarındaki lityumun dikkate değer davranışını belgeliyor - lityumun en küçük ve tartışmasız en çok çarpışan niteliklerine iniyor. Araştırmacılar, metali deforme etmek için elmas uçlu bir probla lityum filmleri girerek, metalin basınca nasıl tepki verdiğini keşfederler. Sonuçlar, Cal Tech'teki araştırmacılar tarafından bu yıl başlarında bildirilen küçük ölçekli ölçeklerdeki beklenmedik şekilde yüksek lityum kuvvetini doğrulamaktadır.

Herbert ve Hackney, lityumun şaşırtıcı bir şekilde yüksek mukavemetinin açık, mekanik bir açıklamasını sunarak bu araştırmayı yapıyorlar.

Lityumun kendi atomlarını veya iyonlarını indent ucunun uyguladığı baskıyı hafifletme çabasıyla yayma veya yeniden düzenleme yeteneği, araştırmacılara, lityumun deforme olduğu hızın önemini göstermiştir (bu, akülerin ne kadar hızlı şarj edildiği ve deşarj edildiği ile ilgilidir), anodu içeren lityum iyonlarının düzenlenmesindeki defekt ve sapmaların etkilerinin yanı sıra.

Lityumun davranışını anlamak için sondaj

Araştırmacılar "Yüksek saflıkta buhar biriktirilmiş lityum filmlerin nano mevcudiyeti: Elastik modül," araştırmacılar lityum iyonlarının fiziksel yönelimindeki değişiklikleri yansıtacak şekilde lityumun elastik özelliklerini ölçüyorlar. Bu sonuçlar, lityumun oryantasyona bağlı elastik özelliklerinin gelecekteki tüm simülasyon çalışmalarına dahil edilmesinin gerekliliğini vurgulamaktadır. Herbert ve Hackney, lityumun 500 nanometreden daha az uzunluktaki terazilerde mekanik enerjiyi ısıya dönüştürme yeteneğinin arttığını gösteren deneysel kanıtlar da sağlarlar.

İzleyen makalede, "Yüksek saflıkta buhar biriktirilmiş lityum filmlerin nano mevcudiyeti: Difüzyon aracılı akışın mekanistik bir rasyonalizasyonu", Herbert ve Hackney'in lityumun lityumun uzunluktaki yüksek mukavemeti 500 nanometreden daha azdır ve orijinal çerçevesini sağlar. Bu, lityumun basıncı yönetme yeteneğinin difüzyon ve malzemenin deforme hızı ile nasıl kontrol edildiğini açıklamayı amaçlamaktadır.

Son olarak, "Yüksek saflıkta buharla biriktirilmiş lityum filmlerin nanokordanstasyonu: Difüzyondan dislokasyon aracılı akışa geçişin mekanistik bir rasyonalizasyonu" nda, yazarlar lityumun, daha da kolaylaşmasını sağlayan ani bir geçişten geçtiği koşulları açıklayan bir istatistiksel model sağlar. Basıncı hafifletme yeteneği. Ayrıca, lityumun mekanik davranışını doğrudan pilin performansına bağlayan bir model sağlarlar.

Herbert, “Lityumun, ara yüzey kusurlarıyla orantılı olan uzunluk skalalarındaki basıncı hafifleten mekanizmaları anlamaya çalışıyoruz” diyor. Bu temel sorunla ilgili anlayışımızı geliştirmek, güvenli, uzun vadeli ve yüksek oranlı bisiklet performansını destekleyen istikrarlı bir arayüzün geliştirilmesini doğrudan mümkün kılacaktır.

Herbert şöyle diyor: "Umarım işimizin insanların gelecek nesil depolama cihazlarını geliştirmeye çalıştığı yönündeki etkisi üzerinde önemli bir etkisi vardır."