خبرآنلاین – میلیاردها ذره ریز که در الکترودهای قابل شارژ باتری لیتیوم یونی بسته بندی شده اند، مسئول ذخیره شارژ و تحویل آن در صورت نیاز برای انجام کار هستند. فیلم‌های اشعه ایکس این فرآیند نشان می‌دهد که چگونه ذرات یون‌های لیتیوم را با شارژ و تخلیه باتری جذب و آزاد می‌کنند.
اکنون در یک گام مهم رو به جلو، محققان از نوع استفاده کرده اند فراگیری ماشین به نام “بینایی کامپیوتری” برای حفاری حتی عمیق تر، تجزیه و تحلیل تک تک پیکسل های این فیلم های اشعه ایکس برای کشف جزئیات فیزیکی و شیمیایی در مورد چرخه باتری که قبلاً قابل مشاهده نبود.
به گفته محققان آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC، دانشگاه استنفورد، MIT و موسسه تحقیقاتی تویوتا، روش جدید اکنون راهی برای ساخت میلیاردها نانوذرات در یک نوع باتری لیتیوم یونی و آزادسازی شارژ کارآمدتر ارائه می دهد. گزارش شده در طبیعت امروز.
ویلیام چو، یکی از همکاران دانشگاه استنفورد، گفت: «تا به حال می‌توانستیم این فیلم‌های زیبای اشعه ایکس از نانوذرات کار بر روی باتری‌ها بسازیم، اما این فیلم‌ها آنقدر غنی از اطلاعات بودند که درک جزئیات دقیق نحوه عملکرد ذرات یک چالش واقعی بود. استاد، دانشمند دانشکده SLAC و مدیر مرکز باتری SLAC-Stanford که همراه با پروفسور مارتین بازانت از MIT این مطالعه را رهبری کردند.
چو گفت: «اکنون می‌توانیم بینش‌هایی به دست آوریم که قبلاً ممکن نبود. «این نوعی از اطلاعات بنیادی و مبتنی بر علم است که شرکای صنعتی ما برای توسعه بهتر به آن نیاز دارند باتری ها سریع تر.”
به‌طور گسترده‌تر، محققان گفتند، این رویکرد برای کشف فیزیک در پشت الگوهای پیچیده در تصاویر حتی ممکن است بینش بی‌سابقه‌ای را در مورد انواع دیگر سیستم‌های شیمیایی و بیولوژیکی، مانند سلول‌هایی که در یک جنین در حال رشد تقسیم می‌شوند، ارائه دهد.
شفافیت باتری ها اسرار آنها را فاش کند
ذرات باتری که تیم تحقیقاتی مورد مطالعه قرار دادند از فسفات آهن لیتیوم یا LFP ساخته شده اند. آنها میلیاردها در الکترودهای مثبت بسیاری از باتری های لیتیوم یونی بسته بندی می شوند باتری هاکه هر یک از آنها با یک لایه نازک کربن پوشانده شده است تا هدایت الکتریکی الکترود را بهبود بخشد.
برای مشاهده آنچه در باتری در حین کار می‌افتد، تیم چوئه یک سلول کوچک و شفاف می‌سازد باتری ها که در آن دو الکترود توسط یک محلول الکترولیت پر از یون های لیتیوم آزادانه احاطه شده اند.
هنگامی که باتری تخلیه می شود، یون های لیتیوم به سمت الکترود LFP مثبت جریان می یابد و در نانوذرات آن مانند اتومبیل هایی که در یک پارکینگ شلوغ هستند، در واکنشی به نام intercalation قرار می گیرند. هنگامی که باتری شارژ می شود، آنها دوباره به بیرون جریان می یابند و به سمت الکترود منفی مخالف حرکت می کنند.
برایان استوری، مدیر ارشد انرژی و مواد در مؤسسه تحقیقاتی تویوتا، که سرمایه‌گذاری این کار در SLAC و MIT را تامین می‌کند، می‌گوید: «لیتیوم فسفات آهن یک ماده مهم برای باتری‌ها به دلیل هزینه کم، ایمنی خوب و استفاده از عناصر فراوان است. . ما شاهد افزایش استفاده از LFP در بازار خودروهای الکتریکی هستیم، بنابراین زمان این مطالعه نمی تواند بهتر باشد.
چوئه و بازانت هشت سال پیش همکاری خود را در زمینه تحقیقات باتری آغاز کردند. بازانت قبلاً مدل های ریاضی زیادی ساخته بود الگوهای تشکیل شده توسط یون های لیتیوم همانطور که آنها به داخل و خارج از ذرات LFP حرکت می کنند. چوئه از یک میکروسکوپ پرتو ایکس پیشرفته در منبع نور پیشرفته آزمایشگاه ملی لارنس برکلی برای ساخت فیلم‌هایی در مقیاس نانو با جزئیات میلیاردیم متر از ذرات باتری در حال کار استفاده کرد.
در سال 2016، تیم‌های تحقیقاتی آنها فیلم‌های پیشگامانه‌ای در مقیاس نانو از چگونگی جریان یافتن یون‌های لیتیوم به داخل و خارج از نانوذرات LFP منتشر کردند.
سپس، با کمک مالی موسسه تحقیقاتی تویوتا، تیم شروع به استفاده از آن کرد فراگیری ماشین ابزارهای توسعه یافته در MIT برای سرعت بخشیدن به هر دو تست باتری و فرآیند غربال کردن بسیاری از روش‌های بارگیری ممکن برای یافتن بهترین روش‌ها. آنها همچنین متعارف را ترکیب کردند فراگیری ماشینکه با دانش به دست آمده از آزمایش ها و معادلات فیزیک محور به دنبال الگوها در داده ها می گردد. یک فرآیند را کشف و توضیح دهد که عمر شارژ سریع Li-Ion را کوتاه می کند باتری ها.
تجزیه و تحلیل پیکسل به پیکسل
در این مطالعه اخیر، چو و بازانت از یک زیرشاخه استفاده کردند فراگیری ماشین به نام دید کامپیوتری برای استخراج اطلاعات دقیق تر از 62 فیلم نانومقیاس اشعه ایکس که در سال 2016 از ذرات LFP در حال شارژ یا تخلیه شدند. هر تصویر ثابت از این فیلم‌ها حاوی تقریباً 490 پیکسل است – کوچک‌ترین واحد اطلاعاتی که می‌توان از یک تصویر به دست آورد، چه با برخورد نور پرتو ایکس به آشکارساز یا برخورد نور مرئی با دوربین گوشی‌های هوشمند. این به آنها حدود 180000 پیکسل اطلاعات داد تا با آنها کار کنند.
این تیم از این 180000 پیکسل برای آموزش مدل محاسباتی خود برای ایجاد معادلاتی استفاده کردند که به طور دقیق چگونگی واکنش های درج لیتیوم را توصیف می کند. آنها دریافتند که حرکت یون ها در ذرات LFP با پیش بینی های شبیه سازی کامپیوتری بازانت مطابقت دارد.
بازانت می گوید: «هر پیکسل کوچکی که در آنجا وجود دارد از پر به خالی به پر به خالی می پرد. و ما کل این فرآیند را با استفاده از معادلات خود ترسیم می کنیم تا بفهمیم چگونه این اتفاق می افتد.”
تکنیک جدید چندین پدیده را نشان داد که قبلاً قابل مشاهده نبودند، از جمله تغییرات در سرعت واکنش‌های وارد کردن لیتیوم در مناطق مختلف یک نانوذره LFP. بازانت گفت: «مناطق هستند که به نظر سریع هستند و مناطقی دیگر که به نظر کند هستند».
مهم‌ترین یافته عملی این مقاله – این که تغییرات در ضخامت پوشش کربن روی یک ذره LFP به طور مستقیم سرعت جریان یون‌های لیتیوم به داخل و خارج را کنترل می‌کند – می‌تواند منجر به شارژ و تخلیه کارآمدتر شود.
به گفته بازانت، آنچه دانشمندان از این مطالعه دریافتند، این است که رابط بین الکترولیت مایع و مواد الکترود جامد – جایی که واکنش میان‌افزایی و تغییرات ضخامت پوشش کربنی ذرات به روش‌های پیچیده‌ای با هم تعامل دارند – فرآیندهای باتری را کنترل می‌کند. او گفت: «این بدان معناست که تمرکز ما واقعاً باید روی مهندسی آن رابط باشد.
طبقه موسسه تحقیقاتی تویوتا افزود: «این نشریه اوج شش سال فداکاری و همکاری است. این تکنیک به ما اجازه می دهد تا قفل عملکرد داخلی باتری را به روشی باز کنیم که قبلاً امکان پذیر نبوده است. هدف بعدی ما بهبود طراحی باتری با استفاده از این درک جدید است.
این مقاله بر اساس بیانیه مطبوعاتی MIT است.
هونگبو ژائو، دانشجوی سابق MIT که اکنون محقق فوق دکتری در دانشگاه پرینستون است، و پروفسور MIT ریچارد برتز نیز کمک‌های عمده‌ای به این مطالعه کردند، که توسط موسسه تحقیقاتی تویوتا از طریق برنامه طراحی و کشف مواد تسریع شده پشتیبانی شد. منبع نور پیشرفته یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE است.
SLAC یک آزمایشگاه چند برنامه ای پر جنب و جوش است که به بررسی نحوه عملکرد جهان در بزرگترین، کوچک ترین و سریع ترین مقیاس می پردازد و ابزارهای قدرتمندی را اختراع می کند که توسط دانشمندان در سراسر جهان استفاده می شود. با تحقیقاتی که در زمینه فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی، مواد، شیمی، علوم زیستی و انرژی، و محاسبات علمی انجام می‌شود، ما به حل مشکلات دنیای واقعی و پیشبرد منافع کشور کمک می‌کنیم.
SLAC توسط دانشگاه استنفورد برای وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت می شود دفتر علوم. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند.
