ارتقا فناوری خودروهای برقی با استفاده از باتری یون لیتیومی

به گزارش ایسنا، نگرانی از اتمام نفت و اثر گاز گلخانه‌ای روی تغییرات جوی موجب شده است که تلاش‌های زیادی روی تولید خودروهای برقی صورت گیرد. بزرگ‌ترین مانعی که در زمینه تجاری‌سازی این خودروها وجود دارد، پیشرفته نبودن فناوری مربوط به باتری‌ها است. با وجودی که به ‌نظر می‌رسد باتری‌های یون لیتیومی اولین گزینه مورد استفاده در خودروهایی باشند که در آینده وارد بازار خواهند شد، اما در زمینه چگالی انرژی، هزینه، چرخه عمر و ایمنی آنها هنوز باید پیشرفت‌هایی صورت گیرد.

مشاهده حرکت لبه‌های انتقال فاز شیمیایی و همچنین تغییرات ایجاد شده در ساختار حفره‌های الکترود که امکان تر شدن موثر ذرات توسط الکترولیت و انتقال یون‌های لیتیوم را فراهم می‌آورد، می‌تواند راهبردهای جدید برای تولید باتری‌های با چگالی انرژی بالا را هدایت کند.

بررسی تغییرات ایجاد شده در الکترودها در زمان عملکرد باتری‌ها (یعنی ورود و خروج یون‌های لیتیوم) نیاز به تصویربرداری از تغییرات مورفولوژیکی و همچنین شیمیایی دارد. میکروسکوپی XANES این قابلیت را دارد که بُعد جدیدی را به بررسی الکترودهای باتری یون لیتیومی افزوده و امکان تصویربرداری سه ‌بعدی شیمیایی و ساختاری نانومقیاس را فراهم کند.

حال گروهی از محققان منبع تابش نوری سینکروترونی استنفورد (SSRL) دانشگاه «استنفورد» از ترکیب میکروسکوپی جذب اشعه ایکس در نزدیکی ساختار لبه (XANES) با میکروسکوپی عبوری اشعه ایکس میدان کامل (TXM) برای به‌ دست آوردن نانوتوموگرافی موادی که در الکترودهای باتری یون لیتیومی به‌ کار می‌روند و همچنین از خود الکترودها، بهره برده‌اند. میکروسکوپ عبوری اشعه ایکس میدان کامل (TXM) در SSRL می‌تواند در محدوده 4 تا 14 الکترون ولت تصویربرداری کند که برای بسیاری از فلزاتی که در الکترودهای باتری‌ها به ‌کار می‌روند، مناسب است.

این میکروسکوپ با میدان دید 30 میکرومتر که با استفاده از تصویربرداری موزائیکی تا محدوده میلی‌متر قابل افزایش است، می‌تواند برای ایجاد طیف‌های XANES تک‌ پیکسلی (15 تا 30 نانومتر) مورد استفاده قرار گیرد که منجر به تولید حدود یک میلیون طیف XANES برای هر بسته انرژی می‌شود. با استفاده از این طیف‌ها می‌توان یک نقشه فاز شیمیایی با تفکیک‌ پذیری 30 نانومتر به‌ دست آورد. چون در این روش تفکیک‌ پذیری بالا با میدان دید نسبتاً بزرگ و نفوذ عمیق اشعه ایکس سخت ترکیب می‌شود، می‌تواند اطلاعات شیمیایی دوبعدی و سه‌ بعدی مرتبط با ساختارهای سلسله ‌مراتبی را در مساحت نسبتاً بزرگ فراهم کند. چنین ساختارهایی در مواد مورد استفاده در کاربردهای مربوط به عرصه انرژی همچون باتری‌ها، پیل‌های سوختی و سامانه‌های کاتالیزوری یافت می‌شوند.

جزئیات این کار در مجلات «Journal of Synchrotron Radiation» و «Applied physics letters»منتشر شده است.