تست ۵ دقیقهای ژاپنیها باتریهای لیتیومی را قدرتمندتر میکند
محققان ژاپنی موفق به توسعه روشی جدید برای ارزیابی دوغابهای باتریهای لیتیومیونی شدند؛ روشی که میتواند تنها در کمتر از پنج دقیقه شرایط ایدهآل پوششدهی الکترودها را شناسایی کرده و عملکرد نهایی باتری را پیش از مونتاژ سلولها پیشبینی کند. این فناوری جدید میتواند فرآیند تولید باتری را سریعتر، کمهزینهتر و دقیقتر کند.
به گزارش interesting engineering، پژوهشگران دانشگاه علوم توکیو در این مطالعه از نسخه ارتقایافتهای از تکنیک طیفسنجی رئو-امپدانس استفاده کردند تا رفتار ساختارهای رسانا در دوغاب باتری را تحت شرایطی مشابه خطوط صنعتی پوششدهی بررسی کنند. این روش، آزمایشهای برشی (Shear Testing) را با طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی ترکیب میکند و به دانشمندان اجازه میدهد رفتار الکتریکی دوغاب را حین حرکت و جریان یافتن مشاهده کنند.
دوغاب باتری، ترکیبی از مواد فعال، افزودنیهای رسانا، چسبها و حلالها است که در مراحل بعدی به الکترود باتری تبدیل میشود. ساختار داخلی این ترکیبات نقش تعیینکنندهای در رسانایی الکتریکی، پایداری و عملکرد شارژ و دشارژ باتری دارد. با این حال بیشتر روشهای ارزیابی فعلی، دوغابها را در شرایط ایستا بررسی میکنند و نمیتوانند رفتار واقعی آنها را در جریان فرآیندهای صنعتی تولید شبیهسازی کنند.
در این تحقیق تیم پژوهشی تمرکز خود را بر دوغابهای کاتدی مبتنی بر فسفات آهن لیتیوم (LFP) قرار داد و نیروهای برشی مشابه شرایط واقعی خطوط پوششدهی صنعتی را به آن اعمال کرد. همزمان حرکت سیگنالهای الکتریکی درون ماده اندازهگیری شد تا تغییرات شبکه رسانا درون دوغاب بهصورت لحظهای رصد شود.
نتایج آزمایشها نشان داد سرعت پوششدهی تاثیر قابل توجهی بر عملکرد نهایی باتری دارد. در نرخهای برشی پایین افزودنیهای رسانا بهصورت تودهای و نامنظم باقی میماندند و مسیرهای الکتریکی ضعیفی ایجاد میکردند. در مقابل نرخهای برشی بسیار بالا باعث تخریب شبکه رسانا شده و عملکرد الکتریکی را کاهش میدادند، اما پژوهشگران موفق شدند محدودهای میانی در حدود ۵۰ ثانیه معکوس (۵۰ s-۱) را شناسایی کنند که در آن افزودنیهای رسانا بهطور یکنواخت در دوغاب توزیع میشوند و در عین حال اتصالهای الکتریکی قوی خود را حفظ میکنند.
الکترودهایی که تحت این شرایط تولید شدند مقاومت الکتریکی کمتری داشتند و در آزمایشهای شارژ و دشارژ عملکرد بهتر و پایداری چرخهای بیشتری نسبت به نمونههایی با نرخ برشی کمتر یا بیشتر نشان دادند.
ایسائو شیتاندا دانشیار دانشگاه علوم توکیو و از نویسندگان این پژوهش گفت: با بازسازی شرایط برشی نزدیک به فرآیند واقعی پوششدهی الکترود و ارزیابی همزمان دوغاب میتوان ارتباط مستقیمی میان وضعیت دوغاب شبکه رسانای ایجادشده پس از خشکشدن و عملکرد نهایی باتری برقرار کرد.
در این آزمایشها پژوهشگران از یک رئومتر چرخشی برای شبیهسازی شرایط پوششدهی با ضخامت ۵۰۰ میکرومتر استفاده کردند. ترکیب دوغاب شامل فسفات آهن لیتیوم بهعنوان ماده فعال کربن سیاه استیلنی بهعنوان افزودنی رسانا و یک چسب پلیمری حلشده در حلال بود.
پس از آزمایش دوغابها خشک شدند و به الکترود تبدیل شدند تا در سلولهای واقعی باتری مورد ارزیابی قرار گیرند. بررسیهای میکروسکوپی نیز تایید کرد که شرایط برشی میانی، متعادلترین و کارآمدترین ساختار رسانا را ایجاد میکند.
به گفته پژوهشگران این روش میتواند تعداد مراحل آزمون و خطا در توسعه باتری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد؛ زیرا تولیدکنندگان قادر خواهند بود شرایط مناسب پوششدهی را مستقیما از مرحله دوغاب شناسایی کنند.
شیتاندا در اینباره توضیح داد: این روش میتواند با کمتر از یک میلیلیتر دوغاب شرایط امیدوارکننده پوششدهی را شناسایی کند و هر اندازهگیری نیز تنها حدود پنج دقیقه زمان نیاز دارد.
محققان معتقدند این فناوری علاوه بر کاهش اتلاف مواد اولیه میتواند چرخه توسعه باتری را کوتاهتر کرده و به تولیدکنندگان در پاسخ به رشد سریع تقاضا برای باتریهای لیتیومیونی در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سامانههای ذخیره انرژی کمک کند.
البته پژوهشگران تاکید کردند که اگرچه این نتایج روی باتریهای فسفات آهن لیتیوم به دست آمده اما برای استفاده گستردهتر، اعتبارسنجی این روش روی سایر شیمیهای باتری و طراحیهای مختلف سلول نیز ضروری خواهد بود.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Journal of Power Sources منتشر شده است.
انتهای پیام/
