ستساعد رؤى الديناميكيات الذرية لبطاريات الحالة الصلبة الناشئة في تسريع تطورها – ScienceDaily

كشف علماء المواد في جامعة ديوك عن ديناميكيات جزيئية تشبه عجلة مجداف تساعد في دفع أيونات الصوديوم عبر فئة سريعة التطور من بطاريات الحالة الصلبة. يجب أن توجه الأفكار الباحثين في سعيهم وراء جيل جديد من بطاريات أيون الصوديوم لتحل محل تقنية أيونات الليثيوم في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل مراكز البيانات وتخزين الطاقة المنزلية.

ظهرت النتائج على الإنترنت في 10 نوفمبر في المجلة الطاقة وعلوم البيئة.

بشكل عام ، تعمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن عن طريق تحريك الإلكترونات عبر الأسلاك الخارجية من جانب إلى آخر والعودة مرة أخرى. لموازنة هذا النقل للطاقة ، تتحرك الذرات بشحنة كهربائية تسمى الأيونات ، مثل أيونات الليثيوم ، داخل البطارية من خلال مادة كيميائية تسمى الإلكتروليت. إن مدى سرعة وسهولة هذه الأيونات في جعل رحلتهم يلعب دورًا رئيسيًا في مدى سرعة شحن البطارية ومقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها في فترة زمنية معينة.

قال أوليفييه ديلير ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد في جامعة ديوك: “لا يزال معظم الباحثين يميلون إلى التركيز على كيف أن الإطار البلوري للإلكتروليت الصلب قد يسمح للأيونات بالمرور بسرعة عبر بطارية صلبة بالكامل”. “في السنوات القليلة الماضية ، بدأ المجال يدرك أن الديناميكيات الجزيئية لكيفية تحرك الذرات حولها مهمة أيضًا.”

لطالما كانت بطاريات الليثيوم أيون هي التكنولوجيا السائدة المستخدمة في معظم التطبيقات التجارية التي تتطلب تخزين الطاقة ، من الساعات الذكية الصغيرة إلى مراكز البيانات العملاقة. على الرغم من نجاحها الكبير ، إلا أن بطاريات الليثيوم أيون لها العديد من العيوب التي تجعل التقنيات الجديدة أكثر جاذبية لتطبيقات معينة.

على سبيل المثال ، تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على سائل إلكتروليت بداخلها ، على الرغم من أنها فعالة للغاية في السماح لأيونات الليثيوم بالانتقال بسرعة ، إلا أنها قابلة للاشتعال للغاية. مع استمرار نمو السوق بشكل كبير ، هناك مخاوف بشأن القدرة على استخراج ما يكفي من الليثيوم من الودائع العالمية المحدودة نسبيًا. وبعض العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في بنائها – مثل الكوبالت والمنغنيز – أكثر ندرة ولا يتم استخراجها إلا في مواقع قليلة حول العالم.

يعتقد العديد من الباحثين أن التقنيات البديلة ضرورية لاستكمال الطلب المتزايد على تخزين الطاقة ، وأحد أبرز المرشحين هو بطاريات أيون الصوديوم. على الرغم من أن هذه التقنية ليست كثيفة أو سريعة من حيث الطاقة مثل بطاريات الليثيوم أيون ، إلا أنها تتمتع بالعديد من المزايا المحتملة. الصوديوم أرخص بكثير وأكثر وفرة من الليثيوم. المواد المطلوبة للأجزاء المكونة لها هي أيضًا أكثر شيوعًا. ومن خلال استبدال الإلكتروليت السائل بمواد إلكتروليت صلبة بدلاً من ذلك ، يمكن للباحثين بناء بطاريات صلبة بالكامل تعد بأن تكون أكثر كثافة للطاقة وأكثر استقرارًا وأقل عرضة للاشتعال من البطاريات القابلة لإعادة الشحن المتوفرة حاليًا.

تقود هذه المزايا الباحثين إلى اعتبار بطاريات أيون الصوديوم بديلاً قابلاً للتطبيق لبطاريات الليثيوم أيون في التطبيقات التي لا تقيدها متطلبات المساحة والسرعة مثل الهواتف الذكية الرقيقة أو المركبات الكهربائية الخفيفة. على سبيل المثال ، تعتبر مراكز البيانات الكبيرة أو المباني الأخرى التي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة على مدى فترة زمنية طويلة مرشحين جيدين.

قال ديلاير: “هذا بشكل عام مجال بحث نشط للغاية حيث يتسابق الناس نحو الجيل التالي من البطاريات”. “ومع ذلك ، لا يوجد فهم أساسي قوي بما فيه الكفاية لما هي المواد التي تعمل بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة أو لماذا. نحن نقدم رؤى حول الديناميكيات الذرية التي تسمح لمرشح واحد مشهور بنقل أيونات الصوديوم الخاصة به بسرعة وكفاءة.”

المادة التي تمت دراستها في هذه التجارب هي ثيوفوسفات الصوديوم ، Na3ملاحظة4. كان الباحثون يعرفون بالفعل أن التركيب البلوري لذرات الفوسفور والكبريت يخلق نفقًا أحادي البعد تنتقل خلاله أيونات الصوديوم. لكن كما يوضح ديلير ، لم ينظر أحد ليرى ما إذا كانت حركة الذرات المجاورة تلعب أيضًا دورًا مهمًا.

لمعرفة الإجابة ، أخذ ديلير وزملاؤه عينات من المادة إلى مختبر أوك ريدج الوطني. من خلال ارتداد النيوترونات عن الذرات بمعدلات سريعة للغاية ، التقط الباحثون سلسلة من اللقطات لحركات الذرات الدقيقة. وأظهرت النتائج أن وحدات PS4 الفوسفورية والكبريتية الشكل الهرمية التي تؤطر الأنفاق تلتف وتدور في مكانها وتعمل تقريبًا كمجاديف تساعد أيونات الصوديوم على الحركة.

قال ديلاير: “تم وضع هذه العملية النظرية من قبل ، لكن الحجج عادة ما تتم بطريقة كاريكاتورية”. “هنا نظهر ما تفعله الذرات في الواقع ونبين أنه بينما يوجد القليل من الحقيقة في هذا الكارتون ، إلا أنه أكثر تعقيدًا أيضًا.”

أكد الباحثون نتائج تشتت النيوترونات عن طريق النمذجة الحسابية للديناميات الذرية في مركز الحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة الوطنية. استخدم الفريق نهج التعلم الآلي لالتقاط سطح الطاقة الكامنة الذي تهتز فيه الذرات وتتحرك. من خلال عدم الحاجة إلى إعادة حساب قوى ميكانيكا الكم في كل نقطة زمنية ، فإن هذا النهج يسرع الحسابات بعدة أوامر من حيث الحجم.

مع الرؤى الجديدة في الديناميكيات الذرية لأحد إلكتروليت أيون الصوديوم والنهج الجديد لنمذجة سلوكهم بسرعة ، يأمل ديلير أن تساعد النتائج في دفع المجال إلى الأمام بسرعة أكبر ، من Na3ملاحظة4 وما بعدها.

قال ديلير: “على الرغم من أن هذه واحدة من المواد الرائدة بسبب قدرتها العالية على التوصيل الأيوني ، إلا أن هناك بالفعل نسخة مختلفة قليلاً يتم اتباعها تستخدم الأنتيمون بدلاً من الفوسفور”. “ولكن على الرغم من السرعة التي يتحرك بها المجال ، فإن الأفكار والأدوات التي نقدمها في هذه الورقة يجب أن تساعد الباحثين على اتخاذ قرارات أفضل حول المكان الذي يتجهون إليه بعد ذلك.”

تم دعم هذا البحث من قبل وزارة الطاقة (DE-SC0019978 ، DE-AC02-05CH11231 ، DE-AC02-06CH11357) ومؤسسة العلوم الوطنية EPSCOR RII Track 4 Award (رقم 2033397).

مصدر القصة:

المواد المقدمة من جامعة ديوك. الأصل بقلم كين كينجري. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *