ดีกว่าเร็วขึ้นและแข็งแรงขึ้น: สร้างแบตเตอรี่ที่ไม่ได้พองตัว

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถือสัญญาเหลือเชื่อสำหรับความจุที่ดีขึ้น แต่มีความผันผวน เราได้ยินข่าวเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์ซึ่ง ได้แก่ Samsung Galaxy 7 ซึ่งทำให้โทรศัพท์ลุกไหม้

ปัญหาส่วนใหญ่เกิดจากการใช้อิเลคโทรไลต์ของเหลวไวไฟภายในแบตเตอรี่ วิธีหนึ่งคือการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่ไม่ติดไฟพร้อมกับขั้วไฟฟ้าโลหะลิเธียม นี้จะเพิ่มพลังงานของแบตเตอรี่ในขณะที่ในเวลาเดียวกันลดความเป็นไปได้ของไฟ

โดยพื้นฐานแล้วจุดหมายปลายทางคือการสร้างแบตเตอรี่รุ่น solid state ซึ่งเป็นรุ่นถัดไปที่ไม่ได้ไปบูม การเดินทางคือการทำความเข้าใจ lithium พื้นฐาน

"ทุกคนเพียงแค่มองไปที่ส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงานของแบตเตอรี่" Erik Herbert ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมจาก Michigan Technological University กล่าว "กลุ่มวิจัยจำนวนน้อยมีความสนใจในการทำความเข้าใจองค์ประกอบทางกล แต่ต่ำและดูเถิดเรากำลังค้นพบว่าสมบัติเชิงกลของลิเธียมอาจเป็นส่วนสำคัญของปริศนา"

นักวิจัยของ Michigan Tech มีส่วนช่วยทำความเข้าใจเกี่ยวกับลิเทียมให้มากขึ้นด้วยผลที่ได้รับการเผยแพร่ในวันนี้ในชุดเอกสารสามชุดที่ได้รับเชิญใน Journal of Materials Research ซึ่งตีพิมพ์ร่วมกับสมาคมวิจัยวัสดุและสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ Herbert และ Stephen Hackney ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมพร้อมด้วย Violet Thole นักศึกษาปริญญาโทที่ Michigan Tech Nancy Dudney ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge และ Sudharshan Phani ณ ศูนย์การวิจัยขั้นสูงสำหรับโลหิตวิทยาและวัสดุใหม่เปิดเผยว่า ขีดความสำคัญของพฤติกรรมทางกลของลิเธียมในการควบคุมประสิทธิภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่รุ่นใหม่

เช่นเดียวกับการทำให้คอนกรีตเป็นน้ำแข็งแข็งตัวทำให้เกิดความเสียหายแก่แบตเตอรี่ลิเธียม dendrites

ลิเธียมเป็นโลหะปฏิกิริยามากซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะประพฤติมิชอบ แต่ก็เป็นสิ่งที่ดีมากในการเก็บพลังงาน เราต้องการโทรศัพท์ของเรา (และคอมพิวเตอร์แท็บเล็ตและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ) เพื่อเรียกเก็บเงินโดยเร็วที่สุดและเพื่อให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่ต้องเผชิญกับความกดดันคู่: ทำให้แบตเตอรี่ชาร์จเร็วมาก ทำให้แบตเตอรี่มีความน่าเชื่อถือแม้ว่าจะมีการชาร์จซ้ำหลายครั้ง

ลิเธียมเป็นโลหะอ่อนมาก แต่ไม่ปฏิบัติตามที่คาดไว้ระหว่างการใช้งานแบตเตอรี่ แรงดันในการติดตั้งที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จและการปลดแบตเตอรี่ทำให้นิ้วมือของลิเธียมที่เรียกว่า dendrites จะเติมข้อบกพร่องของกล้องจุลทรรศน์ที่มีอยู่และไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ร่องรอยร่องรอยและรอยขีดข่วนที่ส่วนติดต่อระหว่างขั้วบวกลิเธียมกับตัวคั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์แบบทึบ

ในระหว่างการขี่จักรยานต่อไป dendrites เหล่านี้สามารถบังคับให้เข้าสู่และในที่สุดก็ผ่านชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่แยกออกจากกันระหว่างขั้วบวกและแคโทด เมื่อ dendrite ถึงขั้วลบวงจรไฟฟ้าลัดวงจรของอุปกรณ์และล้มเหลวมักเป็นภัยพิบัติ การวิจัยของ Herbert and Hackney มุ่งเน้นที่ลิเธียมจะช่วยลดความกดดันที่เกิดขึ้นเองในระหว่างการชาร์จและปล่อยแบตเตอรี่ของแข็งได้อย่างไร

ผลงานของพวกเขาแสดงถึงพฤติกรรมที่น่าทึ่งของลิเธียมที่เครื่องชั่งความยาว submicron - เจาะลงไปในคุณลักษณะที่เล็กที่สุดและเป็นที่น่าอับอายมากที่สุดของลิเธียม นักวิจัยได้ศึกษาวิธีการตอบสนองต่อความกดดันของโลหะโดยการเยื้องแผ่นฟิล์มลิเธียมด้วยหัววัดที่มีเพชรเป็นรูปวงแหวน ผลการทดลองของพวกเขายืนยันความแข็งแรงสูงอย่างไม่คาดคิดของลิเธียมที่เครื่องชั่งขนาดเล็กที่รายงานโดยนักวิจัยของ Cal Tech เมื่อต้นปีนี้

เฮอร์เบิร์ตและแฮ็กกี้สร้างผลงานวิจัยชิ้นนี้โดยให้คำอธิบายเชิงกลเกี่ยวกับความแข็งแรงสูงที่น่าแปลกใจของลิเธียม

ลิเธียมสามารถกระจายหรือจัดเรียงอะตอมหรือไอออนของตัวเองในความพยายามที่จะบรรเทาแรงกดดันที่กำหนดโดยปลายหัวเทียนแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของความเร็วที่ลิเธียมมีรูปร่างผิดปกติ (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการชาร์จและปล่อยประจุแบตเตอรี่ที่รวดเร็ว) เช่นเดียวกับผลกระทบของข้อบกพร่องและความเบี่ยงเบนในการจัดเรียงของไอออนลิเธียมที่ประกอบด้วยขั้วบวก

เจาะลึกเพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของลิเธียม

ในบทความ "Nanoindentation ของไอความบริสุทธิ์สูงที่สะสมฟิล์มลิเธียม: โมดูลัสยืดหยุ่น" นักวิจัยวัดคุณสมบัติความยืดหยุ่นของลิเธียมเพื่อสะท้อนการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของลิเธียมไอออน ผลลัพธ์เหล่านี้เน้นถึงความจำเป็นในการผสมผสานคุณสมบัติความยืดหยุ่นของการขึ้นรูปแบบลิเธียมเข้ากับงานจำลองทั้งหมดในอนาคต เฮอร์เบิร์ตและแท๊กกี้ยังให้หลักฐานการทดลองที่ระบุว่าลิเธียมอาจมีความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นความร้อนที่ความยาวต่ำกว่า 500 นาโนเมตร

ในบทความต่อไปนี้ "Nanoindentation ของไอความบริสุทธิ์สูงฝากฟิล์มลิเธียม: การหาเหตุผลเข้าข้างตนเองอย่างสมเหตุสมผลของการไหลเวียนของการแพร่กระจาย - mediated," Herbert and Hackney เอกสารลิเธียมของความแรงที่สูงอย่างน่าทึ่งที่มีความยาวน้อยกว่า 500 นาโนเมตรและพวกเขาให้กรอบเดิมของพวกเขา, ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่ออธิบายถึงความสามารถในการควบคุมแรงกดของลิเธียมด้วยการกระจายตัวและอัตราการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุ

ผู้เขียนได้เสนอแบบจำลองทางสถิติที่อธิบายถึงสภาวะที่ลิเธียมได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกให้แก่ผู้บริโภคได้ดียิ่งขึ้น ความสามารถในการบรรเทาแรงกดดัน นอกจากนี้ยังมีรูปแบบที่เชื่อมโยงโดยตรงกับพฤติกรรมทางกลของลิเธียมกับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

"เรากำลังพยายามที่จะเข้าใจกลไกที่ลิเธียมช่วยลดความกดดันในชั่งน้ำหนักที่สอดคล้องกับข้อบกพร่องที่เกิดจากบาดแผล" เฮอร์เบิร์ตกล่าว การปรับปรุงความเข้าใจในปัญหาพื้นฐานนี้จะช่วยให้สามารถพัฒนาส่วนติดต่อที่มีเสถียรภาพซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการขี่จักรยานที่ปลอดภัยในระยะยาวและมีประสิทธิภาพสูง

เฮอร์เบิร์ตกล่าวว่า "ผมหวังว่าผลงานของเราจะมีผลกระทบอย่างมากต่อทิศทางที่ผู้คนพยายามที่จะพัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลรุ่นถัดไป"