به‌كارگیری تكنیكی جدید برای بررسی مواد درون باتری از آینده روشن توسعه فناوری باتری‌ها خبر می‌دهد
فناوری تولید باتری‌های پرانرژی
هیچ‌وقت به اندازه این روزها از وسایل برقی شارژی در زندگی استفاده نمی‌كردیم. علتش این است كه در سال‌های اخیر بهبود كیفیت باتری‌ها موجب نوآوری بیشتر در فناوری‌های مربوطه از تلفن‌های هوشمند تا خودروهای برقی شده است. هر قدر محققان بتوانند باتری‌های كارآمدتری تولید كنند، می‌توانند در بهینه كردن فناوری‌هایی كه به انرژی الكتریكی نیازمند هستند، موثرتر باشند. به همین دلیل سال‌هاست دانشمندان روی مواد باتری‌ها و عناصر درون این مواد تحقیق و بررسی می‌كنند و البته به نتایج خوبی هم دست یافته‌اند. با این حال آنها درصددند تمام ویژگی‌ها و جزئیات مواد درون باتری‌ها را بررسی كرده و رفتار و عملكرد هر یك از این مواد را شناسایی كنند. به این ترتیب محققان می‌توانند در آینده باتری‌های به مراتب بهینه‌تری از نمونه‌های امروز تولید كنند؛ باتری‌هایی كه ظرفیت و ولتاژ بالاتری داشته باشند. در این صورت زندگی ما در آینده خیلی بیشتر به باتری‌های شارژ شدنی باكیفیت وابسته خواهد شد.
بیشتر تكنیك‌هایی كه تاكنون دانشمندان برای بررسی مواد باتری به‌كار برده‌اند، فقط به آنها در مشاهده بخش‌های سطحی باتری‌ها كمك كرده‌اند. به عبارت دیگر محققان با استفاده از این تكنیك‌ها هنوز نتوانسته‌اند به عمق مواد باتری‌ها دست‌یافته و ویژگی‌های آنها را با جزئیات كامل مشاهده كنند.
اما اخیرا دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس بركلی در كالیفرنیا تكنیك پرتوی ایكس با حساسیت بالا را برای تحقیق روی باتری‌ها به‌كار گرفته‌اند و امیدوارند بتوانند شیمی باتری‌ها را عمیق‌تر و دقیق‌تر بررسی كنند.
محققان این آزمایشگاه در حال جذب دانشمندان علاقه‌مند به بررسی شیمی باتری‌ها هستند و در تلاشند عملكرد باتری‌ها را به چیزی فراتر از آنچه در حال حاضر است، سوق دهند.
تكنیك جدید بررسی درون باتری‌ها
وانلی یانگ (Wanli Yang) از محققانی است كه در آزمایشگاه بركلی و بخش منبع نور پیشرفته (ALS) كار می‌كند. او نوعی تكنیك پرتو ایكس با نام RIXS (پراكندگی پرتو ایكس غیرقابل انعطاف رزونانس) را برای بررسی مواد باتری با موفقیت به‌كار گرفت. یانگ و همكاران محقق او در این بخش روی بررسی مواد باتری‌ها و البته انرژی‌های دیگر متمركز شده‌اند.
در آزمایشگاه بركلی و بخش منبع نور پیشرفته، انواع و اقسام تشعشعات نوری (از فروسرخ گرفته تا پرتوهای ایكس) تولید می‌شود و به این ترتیب از تمام دانشمندانی كه برای این مركز و به منظور بررسی روی باتری‌ها از سراسر دنیا كار می‌كنند و از تسهیلات آزمایشگاه بركلی بهره‌مند می‌شوند، پشتیبانی می‌شود.
تكنیكی كه یانگ برای تحقیق روی باتری‌ها به‌كار گرفت، نقشه‌برداری از RIXS است و با نام mRIXS با راندمان بالا شناخته شده است.
این تكنیك، علاقه دانشمندان بسیاری را كه طرح‌های الكترودها را بررسی می‌كنند به خود جلب كرده است. الكترودها اجزایی از باتری‌ها هستند كه جریان برق را به داخل و خارج از باتری هدایت می‌كنند. در واقع الكترود ماده‌ای رساناست كه در یك مدار الكتریكی، از یك طرف به بخش فلزی و از طرف دیگر به بخش غیرفلزی مانند مواد نیمه‌رسانا، الكترولیت یا خلأ، متصل می‌شود و بین آنها ارتباط برقرار می‌كند.
پیش از این از تكنیك RIXS، بیشتر برای بررسی اصول اساسی فیزیك مواد استفاده می‌شد. اما اكنون یانگ با همكاری دانشمندان نظریه‌پرداز و محققان دیگر توانسته است این تكنیك را در زمینه‌های تحقیقی جدیدی به‌كار گیرد.
یانگ می‌گوید: «دانشمندان می‌خواهند نه‌تنها سطح باتری‌ها، بلكه درون مواد باتری‌ها را هم بررسی كنند تا بتوانند تمام حالت‌های فلزی و اتم‌های اكسیژن باتری‌ها را بشناسند. بیشتر تكنیك‌های تحقیقی فعلی به دانشمندان امكان تحقیق در مورد عمق مواد یا حساسیت شیمی باتری را نمی‌دهند. اما mRIXS راه‌حل‌های تازه‌ای پیش پای این محققان گذاشته است.
چگونگی عملكرد این تكنیك
محققان با استفاده از تكنیك mRIXS می‌توانند به‌راحتی نمونه‌هایی از الكترودهای باتری‌ها را اسكن كنند و به این ترتیب حالت‌های شیمیایی مواد مختلف را در هر نقطه خاص از چرخه شارژ یا تخلیه انرژی باتری اندازه بگیرند.آنها با این تكنیك می‌توانند مواد رایج و مورد استفاده در باتری‌ها، مانند اكسیدهای فلزی با هدایت جریان كمتر را با دقت بالا و دقیق‌تر از هر تكنیك دیگر اندازه‌گیری كنند. همچنین به‌كارگیری تكنیك mRIXS مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
محققان با استفاده از این تكنیك، می‌توانند كاملا دریابند كه مواد موجود در باتری چه وقت الكترون گرفته یا از دست می‌دهند و چه موقع اتم‌های یونی دارای بارهای مثبت یا منفی می‌شوند. به این ترتیب آنها می‌توانند مثلا بفهمند باتری با چه سرعتی و به چه دلیلی تخلیه می‌شود.
از اتم اكسیژن درون الكترود باتری هنگام فعالیت خود باتری كاسته می‌شود (گرفتن الكترون) و آن اكسیده می‌شود (از دست دادن الكترون) كه به این وضعیت، واكنش «اكسایش و كاهش اكسیژن» گفته می‌شود.
در بررسی الكترودهای غنی از به‌اصطلاح لیتیوم كه برای ذخیره بیشتر لیتیوم و بالابردن ظرفیت باتری استفاده می‌شود، مشخص شده است تغییراتی كه دائما در اكسیژن رخ می‌دهد، جلوی عملكرد خوب باتری را می‌گیرد.
بنا به گفته یانگ «تغییرات موجود در اكسیژن می‌توانند باتری را ناامن كرده و واكنش‌های دیگری را موجب شوند و اگر این فرآیند برگشت‌پذیر نباشد، كل ساختار ممكن است فروبریزد و باتری صدمه ببیند.»
خوشبختانه اكسایش و كاهش اكسیژن درون الكترود برگشت‌پذیر است و این موضوع خوبی است. با استفاده از تكنیك mRIXS می‌توان فهمید كه آیا حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن برگشت‌پذیر هستند یا خیر و این‌که آیا تمام حالت‌های فلز در الكترود را می‌توان كاملا بررسی و شناسایی كرد. در واقع این توانایی منحصربهفرد تكنیك mRIXS در بررسی حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن، برای بررسی مواد باتری‌های دارای ولتاژ و ظرفیت بالا هم مفید است و می‌توان با تمركز روی این مواد، به تولید و توسعه باتری‌هایی با كارایی و ظرفیت بالا پرداخت.
در تكنیك mRIXS، یك نمونه از مواد شیمیایی نقطه‌ای خاص از چرخه شارژ یا تخلیه باتری، با استفاده از پرتوهای ایكس، به‌آهستگی اسكن می‌شود. مدت زمان اسكن كل نمونه مواد باتری با این روش فقط سه ساعت است. در حالی كه در گذشته و با تكنیك‌های قدیمی، اسكن و تكمیل نقشه نمونه مواد درون یك باتری، چند روز وقت محققان را می‌گرفت.
تكنیك mRISX، نه‌تنها در جمع‌آوری اطلاعات مربوط به مواد باتری منحصربهفرد است بلكه در بررسی حالات نامتعارف مواد شیمیایی كه به‌ویژه زیر پرتوهای ایكس خیلی ثابت نیستند هم عالی است. همچنین این تكنیك می‌تواند بازدهی آشكارسازی (Detection Efficiency) را برای حفظ نمونه، قبل از این‌که بر اثر پرتو ایكس صدمه ببیند، افزایش دهد و این موضوع در بررسی مواد بسیار مهم است.
درواقع در بررسی منابع نوری آینده با روشنایی بسیار پیشرفته پرتو ایكس، افزایش بازدهی آشكارسازی نوعی چالش فنی است و محققان در تلاشند آن را برطرف كنند.
منبع: Techxplore
نگاهی به استفاده از تكنیك جدید
در تحقیقات چند ماه اخیر
تكنیك mRIXS در چند ماه گذشته به یكی از بخش‌های جدایی‌ناپذیر تحقیقات روی باتری‌ها تبدیل شده است. از برخی از نتایج این تحقیقات می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
در تحقیقی كه دانشمندان روی حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن انجام دادند، مواد یك باتری لیتیومی معروف در بازار را بررسی كردند. آنها در این تحقیق روی مواد لیتیوم، نیكل، كبالت، منگنز و اكسیژن برای ساخت الكترودی به نام كاتد متمركز شده بودند.
در مطالعه دیگر، دانشمندان، علاوه بر مواد تحقیق قبلی، حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن باتری‌های سدیمی كه حاوی سدیم، لیتیوم، منگنز و اكسیژن بودند را هم بررسی كردند.
بیشتر تحقیق‌های مربوط به الكترودهای اكسید غنی از لیتیوم با استفاده از تكنیك mRIXS انجام و اكسایش و كاهش اكسیژن شیمی اكسیژن این باتری‌ها بررسی شد. مثلا، در تحقیقی، دانشمندان روی كاهش پوسیدگی در باتری، مرتبط با ولتاژ، متمركز شده بودند؛ در تحقیقی دیگر هم محققان عملكرد شارژ و تخلیه ماده‌ای كه ویژگی شیمی اكسیژن برگشت‌پذیر را داشت، بررسی كردند.
همچنین در تحقیقی كه سال گذشته انجام شده بود، محققان با استفاده از تكنیك mRIXS حالت‌های ماده سولفور در مواد باتری سولفید مملو از لیتیوم را بررسی كردند.
بنا به گفته یانگ «این روزها محققانی كه روی مواد باتری‌ها و توسعه بهترین باتری‌ها در سراسر دنیا تحقیق می‌كنند، به استفاده از تكنیك mRIXS علاقه‌مند شده‌اند و تقاضای استفاده از این تكنیك به‌سرعت رو به افزایش است. به همین دلیل بخش ALS آزمایشگاه بركلی درصدد است ظرفیت بیشتری برای این نوع آزمایش‌ها فراهم كند.»
این محققان امیدوارند با بهره‌گیری از بهترین تكنیك‌های جدید به باتری‌هایی دست یابند كه باكیفیت بوده و ظرفیت‌های بالایی داشته باشند. به نظر می‌رسد تكنیك mRIXS آزمایشگاه بركلی می‌تواند در این زمینه بسیار موثر و كارآمد باشد.
اما اخیرا دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس بركلی در كالیفرنیا تكنیك پرتوی ایكس با حساسیت بالا را برای تحقیق روی باتری‌ها به‌كار گرفته‌اند و امیدوارند بتوانند شیمی باتری‌ها را عمیق‌تر و دقیق‌تر بررسی كنند.
محققان این آزمایشگاه در حال جذب دانشمندان علاقه‌مند به بررسی شیمی باتری‌ها هستند و در تلاشند عملكرد باتری‌ها را به چیزی فراتر از آنچه در حال حاضر است، سوق دهند.
تكنیك جدید بررسی درون باتری‌ها
وانلی یانگ (Wanli Yang) از محققانی است كه در آزمایشگاه بركلی و بخش منبع نور پیشرفته (ALS) كار می‌كند. او نوعی تكنیك پرتو ایكس با نام RIXS (پراكندگی پرتو ایكس غیرقابل انعطاف رزونانس) را برای بررسی مواد باتری با موفقیت به‌كار گرفت. یانگ و همكاران محقق او در این بخش روی بررسی مواد باتری‌ها و البته انرژی‌های دیگر متمركز شده‌اند.
در آزمایشگاه بركلی و بخش منبع نور پیشرفته، انواع و اقسام تشعشعات نوری (از فروسرخ گرفته تا پرتوهای ایكس) تولید می‌شود و به این ترتیب از تمام دانشمندانی كه برای این مركز و به منظور بررسی روی باتری‌ها از سراسر دنیا كار می‌كنند و از تسهیلات آزمایشگاه بركلی بهره‌مند می‌شوند، پشتیبانی می‌شود.
تكنیكی كه یانگ برای تحقیق روی باتری‌ها به‌كار گرفت، نقشه‌برداری از RIXS است و با نام mRIXS با راندمان بالا شناخته شده است.
این تكنیك، علاقه دانشمندان بسیاری را كه طرح‌های الكترودها را بررسی می‌كنند به خود جلب كرده است. الكترودها اجزایی از باتری‌ها هستند كه جریان برق را به داخل و خارج از باتری هدایت می‌كنند. در واقع الكترود ماده‌ای رساناست كه در یك مدار الكتریكی، از یك طرف به بخش فلزی و از طرف دیگر به بخش غیرفلزی مانند مواد نیمه‌رسانا، الكترولیت یا خلأ، متصل می‌شود و بین آنها ارتباط برقرار می‌كند.
پیش از این از تكنیك RIXS، بیشتر برای بررسی اصول اساسی فیزیك مواد استفاده می‌شد. اما اكنون یانگ با همكاری دانشمندان نظریه‌پرداز و محققان دیگر توانسته است این تكنیك را در زمینه‌های تحقیقی جدیدی به‌كار گیرد.
یانگ می‌گوید: «دانشمندان می‌خواهند نه‌تنها سطح باتری‌ها، بلكه درون مواد باتری‌ها را هم بررسی كنند تا بتوانند تمام حالت‌های فلزی و اتم‌های اكسیژن باتری‌ها را بشناسند. بیشتر تكنیك‌های تحقیقی فعلی به دانشمندان امكان تحقیق در مورد عمق مواد یا حساسیت شیمی باتری را نمی‌دهند. اما mRIXS راه‌حل‌های تازه‌ای پیش پای این محققان گذاشته است.
چگونگی عملكرد این تكنیك
محققان با استفاده از تكنیك mRIXS می‌توانند به‌راحتی نمونه‌هایی از الكترودهای باتری‌ها را اسكن كنند و به این ترتیب حالت‌های شیمیایی مواد مختلف را در هر نقطه خاص از چرخه شارژ یا تخلیه انرژی باتری اندازه بگیرند.آنها با این تكنیك می‌توانند مواد رایج و مورد استفاده در باتری‌ها، مانند اكسیدهای فلزی با هدایت جریان كمتر را با دقت بالا و دقیق‌تر از هر تكنیك دیگر اندازه‌گیری كنند. همچنین به‌كارگیری تكنیك mRIXS مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
محققان با استفاده از این تكنیك، می‌توانند كاملا دریابند كه مواد موجود در باتری چه وقت الكترون گرفته یا از دست می‌دهند و چه موقع اتم‌های یونی دارای بارهای مثبت یا منفی می‌شوند. به این ترتیب آنها می‌توانند مثلا بفهمند باتری با چه سرعتی و به چه دلیلی تخلیه می‌شود.
از اتم اكسیژن درون الكترود باتری هنگام فعالیت خود باتری كاسته می‌شود (گرفتن الكترون) و آن اكسیده می‌شود (از دست دادن الكترون) كه به این وضعیت، واكنش «اكسایش و كاهش اكسیژن» گفته می‌شود.
در بررسی الكترودهای غنی از به‌اصطلاح لیتیوم كه برای ذخیره بیشتر لیتیوم و بالابردن ظرفیت باتری استفاده می‌شود، مشخص شده است تغییراتی كه دائما در اكسیژن رخ می‌دهد، جلوی عملكرد خوب باتری را می‌گیرد.
بنا به گفته یانگ «تغییرات موجود در اكسیژن می‌توانند باتری را ناامن كرده و واكنش‌های دیگری را موجب شوند و اگر این فرآیند برگشت‌پذیر نباشد، كل ساختار ممكن است فروبریزد و باتری صدمه ببیند.»
خوشبختانه اكسایش و كاهش اكسیژن درون الكترود برگشت‌پذیر است و این موضوع خوبی است. با استفاده از تكنیك mRIXS می‌توان فهمید كه آیا حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن برگشت‌پذیر هستند یا خیر و این‌که آیا تمام حالت‌های فلز در الكترود را می‌توان كاملا بررسی و شناسایی كرد. در واقع این توانایی منحصربهفرد تكنیك mRIXS در بررسی حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن، برای بررسی مواد باتری‌های دارای ولتاژ و ظرفیت بالا هم مفید است و می‌توان با تمركز روی این مواد، به تولید و توسعه باتری‌هایی با كارایی و ظرفیت بالا پرداخت.
در تكنیك mRIXS، یك نمونه از مواد شیمیایی نقطه‌ای خاص از چرخه شارژ یا تخلیه باتری، با استفاده از پرتوهای ایكس، به‌آهستگی اسكن می‌شود. مدت زمان اسكن كل نمونه مواد باتری با این روش فقط سه ساعت است. در حالی كه در گذشته و با تكنیك‌های قدیمی، اسكن و تكمیل نقشه نمونه مواد درون یك باتری، چند روز وقت محققان را می‌گرفت.
تكنیك mRISX، نه‌تنها در جمع‌آوری اطلاعات مربوط به مواد باتری منحصربهفرد است بلكه در بررسی حالات نامتعارف مواد شیمیایی كه به‌ویژه زیر پرتوهای ایكس خیلی ثابت نیستند هم عالی است. همچنین این تكنیك می‌تواند بازدهی آشكارسازی (Detection Efficiency) را برای حفظ نمونه، قبل از این‌که بر اثر پرتو ایكس صدمه ببیند، افزایش دهد و این موضوع در بررسی مواد بسیار مهم است.
درواقع در بررسی منابع نوری آینده با روشنایی بسیار پیشرفته پرتو ایكس، افزایش بازدهی آشكارسازی نوعی چالش فنی است و محققان در تلاشند آن را برطرف كنند.
منبع: Techxplore
نگاهی به استفاده از تكنیك جدید
در تحقیقات چند ماه اخیر
تكنیك mRIXS در چند ماه گذشته به یكی از بخش‌های جدایی‌ناپذیر تحقیقات روی باتری‌ها تبدیل شده است. از برخی از نتایج این تحقیقات می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
در تحقیقی كه دانشمندان روی حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن انجام دادند، مواد یك باتری لیتیومی معروف در بازار را بررسی كردند. آنها در این تحقیق روی مواد لیتیوم، نیكل، كبالت، منگنز و اكسیژن برای ساخت الكترودی به نام كاتد متمركز شده بودند.
در مطالعه دیگر، دانشمندان، علاوه بر مواد تحقیق قبلی، حالت‌های اكسایش و كاهش اكسیژن باتری‌های سدیمی كه حاوی سدیم، لیتیوم، منگنز و اكسیژن بودند را هم بررسی كردند.
بیشتر تحقیق‌های مربوط به الكترودهای اكسید غنی از لیتیوم با استفاده از تكنیك mRIXS انجام و اكسایش و كاهش اكسیژن شیمی اكسیژن این باتری‌ها بررسی شد. مثلا، در تحقیقی، دانشمندان روی كاهش پوسیدگی در باتری، مرتبط با ولتاژ، متمركز شده بودند؛ در تحقیقی دیگر هم محققان عملكرد شارژ و تخلیه ماده‌ای كه ویژگی شیمی اكسیژن برگشت‌پذیر را داشت، بررسی كردند.
همچنین در تحقیقی كه سال گذشته انجام شده بود، محققان با استفاده از تكنیك mRIXS حالت‌های ماده سولفور در مواد باتری سولفید مملو از لیتیوم را بررسی كردند.
بنا به گفته یانگ «این روزها محققانی كه روی مواد باتری‌ها و توسعه بهترین باتری‌ها در سراسر دنیا تحقیق می‌كنند، به استفاده از تكنیك mRIXS علاقه‌مند شده‌اند و تقاضای استفاده از این تكنیك به‌سرعت رو به افزایش است. به همین دلیل بخش ALS آزمایشگاه بركلی درصدد است ظرفیت بیشتری برای این نوع آزمایش‌ها فراهم كند.»
این محققان امیدوارند با بهره‌گیری از بهترین تكنیك‌های جدید به باتری‌هایی دست یابند كه باكیفیت بوده و ظرفیت‌های بالایی داشته باشند. به نظر می‌رسد تكنیك mRIXS آزمایشگاه بركلی می‌تواند در این زمینه بسیار موثر و كارآمد باشد.
