Ultimate magazine theme for WordPress.

تشکیل ساختارهای توخالی در مقیاس نانو

0

تشکیل ساختارهای توخالی در مقیاس نانو

 

تشکیل ساختارهای توخالی در مقیاس نانو برای مطالعه تشکیل خود به خود ساختارهای توخالی در مقیاس نانو در آزمایشگاه متیو مک داول در Georgia Tech از باتری های کوچک استفاده شد. اعتبار: متیو مک داول ، فناوری جورجیا

تشکیل ساختارهای توخالی در مقیاس نانو ویژگی غیر منتظره بلورهای آنتیموان در مقیاس نانومتر – تشکیل خود به خودی ساختارهای توخالی – می تواند به نسل بعدی باتری های یون لیتیوم کمک کند تا چگالی انرژی بیشتری بدون کاهش عمر باتری داشته باشند. ساختارهای توخالی برگشت پذیر می توانند به باتری های لیتیوم یون اجازه دهند انرژی بیشتری را در خود نگه دارند و بنابراین انرژی بیشتری را بین شارژها فراهم کنند.

مدت هاست که جریان یون های لیتیوم به داخل و خارج آندهای باتری آلیاژی یک عامل محدود کننده در میزان انرژی باتری های با استفاده از مواد معمولی . جریان زیاد یون باعث متورم شدن مواد آند و سپس در طی چرخه های تخلیه شارژ می شود و باعث تخریب مکانیکی می شود که عمر باتری را کوتاه می کند. برای رسیدگی به این موضوع ، محققان قبلا نانوذرات توخالی “پوسته زرده” تولید کرده اند که تغییر حجم ناشی از جریان یون را در خود جای می دهد ، اما ساخت آنها پیچیده و پرهزینه بوده است.

اکنون ، یک تیم تحقیقاتی کشف کرده است که ذرات هزار برابر کوچکتر از عرض موی انسان به طور خود به خود در طول چرخه تخلیه شارژ بدون تغییر اندازه ، ساختارهای توخالی ایجاد می کنند ، و به این ترتیب جریان یونی بیشتری بدون آسیب رساندن به آندها ایجاد می شود. این تحقیق در تاریخ ۱ ژوئن در مجله Nature Nanotechnology گزارش شد.

“مهندسی نانو مواد توخالی عمدی مدتی است که انجام شده است و این یک روش امیدوار کننده برای بهبود طول عمر و پایداری باتری های دارای چگالی انرژی بالا است” ، متیو مک داول ، استادیار دانشکده جورج دبلیو وودروف گفت مهندسی مکانیک و دانشکده علوم و مهندسی مواد در انستیتوی فناوری جورجیا. “مشکل این بوده است که سنتز مستقیم این نانوساختارهای توخالی در مقیاس بزرگ مورد نیاز برای کاربردهای تجاری چالش برانگیز است و گران است. کشف ما می تواند فرایند ساده تر و ساده تری را ارائه دهد که می تواند منجر به بهبود عملکرد شود به شکلی که شبیه توخالی مهندسی عمدی باشد ساختارها. “

محققان با استفاده از میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا کشف کردند که به آنها امکان می دهد واکنش های باتری را در صورت مشاهده در مقیاس نانو به طور مستقیم تجسم دهند. مک داول گفت: “این یک نوع آزمایش دشوار است ، اما اگر صبور باشید و آزمایشات را به درستی انجام دهید ، می توانید در مورد نحوه رفتار مواد در باتری چیزهای بسیار مهمی را بیاموزید.”

این تیم که شامل محققانی از آزمایشگاه ملی ETH Zürich و Oak Ridge National Laboratory بود ، از مدل سازی برای ایجاد چارچوبی نظری برای درک اینکه چرا نانوذرات به طور خودکار توخالی می شوند – به جای کوچک شدن – هنگام حذف لیتیوم از باتری ، استفاده کردند.

تشکیل ساختارهای توخالی در مقیاس نانو
یک تصویر میکروسکوپ الکترونی نانوذرات آنتیموان را نشان می دهد که در تحقیق در مورد تشکیل خود به خود ساختارهای توخالی برای الکترودهای باتری استفاده شده است. اعتبار: متیو بوبینگر ، فناوری جورجیا

توانایی تشکیل و پر کردن برگشت پذیر ذرات توخالی در حین دوچرخه سواری باتری فقط در نانوکریستال های آنتیموان روکش شده با اکسید که قطر آنها تقریباً کمتر از ۳۰ نانومتر است وجود دارد. تیم تحقیقاتی دریافت که این رفتار از یک لایه اکسید بومی انعطاف پذیر ناشی می شود که امکان گسترش اولیه در طی لیتیشن – جریان یونها به درون آند را فراهم می کند – اما به طور مکانیکی از جمع شدن جلوگیری می کند زیرا آنتیموان حین از بین بردن یون ها ، فضاهای خالی ایجاد می کند ، این فرآیند به عنوان دلی یاتینگ شناخته می شود.

این یافته کمی تعجب آور بود زیرا کارهای قبلی روی مواد مرتبط روی ذرات بزرگتر انجام شده بود که به جای تشکیل ساختارهای توخالی ، منبسط و کوچک می شوند. مک داول گفت: “وقتی برای اولین بار رفتار متمایز توخالی را مشاهده کردیم ، بسیار هیجان انگیز بود و بلافاصله فهمیدیم که این می تواند پیامدهای مهمی در عملکرد باتری داشته باشد.”

آنتیموان نسبتاً گران است و در حال حاضر در الکترودهای تجاری باتری استفاده نمی شود. اما مک داول معتقد است که توخالی خود به خودی ممکن است در مواد کم هزینه تری مانند قلع نیز وجود داشته باشد. مراحل بعدی شامل آزمایش سایر مواد و نقشه برداری از مسیر دستیابی به مقیاس تجاری است.

“جالب است که آزمایش مواد دیگر برای بررسی اینکه آیا آنها مطابق با مکانیزم توخالی مشابه تغییر شکل می دهند ، جالب است.” “این می تواند دامنه مواد موجود برای استفاده در باتری ها را گسترش دهد. باتری های آزمایشی کوچکی که ساخته ایم عملکرد امیدوار کننده تخلیه شارژ را نشان می دهد ، بنابراین ما می خواهیم مواد موجود در باتری های بزرگتر را ارزیابی کنیم.”

گرچه ممکن است هزینه بر باشند ، اما نانوکریستالهای آنتیموان خود-توخالی دارای ویژگی جالب دیگری هستند: همچنین می توانند در باتری های یون سدیم و یون پتاسیم ، سیستم های نوظهوری که باید تحقیقات بیشتری در مورد آنها انجام شود ، مورد استفاده قرار گیرند.

مک داول گفت: “این کار درک ما را از چگونگی تکامل این نوع مواد در داخل باتری ها پیش می برد.” “این اطلاعات برای پیاده سازی مواد یا مواد مرتبط در نسل بعدی باتری های لیتیوم یون ، که می توانند انرژی بیشتری را ذخیره کرده و به همان اندازه باتری های امروز دوام داشته باشند ، حیاتی خواهد بود.”

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.