بازنمایی مواد سازنده باتری‌ با دقتی در مقیاس اتمی

از باتری‌ها‌ی یونی لیتیومی به‌صورت گسترده در لوازم خانگی الکترونیکی و ماشین‌ها‌ی توان الکتریکی و برای ذخیره‌ی انرژی در شبکه‌ی برق استفاده می‌شود. اما با توجه به محدود بودن تعداد چرخه‌ها‌ی قابل تکرار و همچنین کم شدن کارایی این باتری‌ها در طول زمان، نیاز به کار در این زمینه و پیشرفت این تکنولوژی احساس می‌شود.

یک گروه بین‌المللی شامل پژوهشگران مؤسسه‌ی انرژی آزمایشگاه ملی برکلی آمریکا، از تکنیک‌ها‌ی پیشرفته‌ای در میکروسکوپی الکترونی استفاده کردند تا میزان تأثیر نسبت مواد تشکیل‌دهنده‌ی یک باتری یونی لیتیومی را بر ساختار اتمی آن بررسی کنند. علاوه بر این، با این روش، تفاوت سطح ماده با ساختار زیری آن نیز بررسی می‌شود. این پژوهش در مجله‌ی Energy and Environmental Science منتشر شده است. اطلاع از نحوه‌ی تغییرات ساختار شیمیایی سطح و درون مواد تشکیل‌دهنده‌ی یک باتری، راه پژوهش‌ها‌ی آینده در رابطه با تغییرات کاتدی و راه‌ها‌ی بهتر‌ شدن باتری‌ها را باز خواهد کرد. 

الپس خوشالچاند شوکلا، دانشمند آزمایشگاه مولکولی برکلی و عضو این پروژه، می‌گوید:

یافته‌ها‌ی جدید، نحوه‌ی نگاه ما به تغیرات فاز در یک کاتد و در نتیجه‌، کم شدن کارایی این نوع از مواد را تغییر داد. کار ما اهمیت استفاده کردن از مواد کاملا خالص و بازیافت‌شده را برای دوری از تعابیر غلط، نشان می‌دهد.

پژوهشگران آزمایشگاه مولکولی (یک مرکز پژوهشی در مقیاس نانو)، در کار قبلی خود، ساختار کاتدی حاوی لیتیوم اضافه را نمایان کردند و به یک بحث طولانی خاتمه دادند.

مرکز ملی میکروسکوپی الکترونی (NCEM) و مؤسسه‌ی ملی تحقیقات پیشرفته‌ی میکروسکوپی الکترونی دارسبری بریتانیا، با استفاده از میکروسکوپ‌ها‌ی الکترونی متوجه شدند که اگر ساختار اتم‌ها‌ی داخلی یک کاتد نسبت به بقیه‌ی ساختار شیمیایی ثابت بماند و میزان لیتیوم کم شود، موقعیت اتم‌ها‌ی خاص در این ساختار، کاملا تصادفی خواهد شد.

پژوهشگران با مقایسه‌ی عملکرد باتری‌ها‌یی با ترکیبات متفاوت، متوجه شدند که با استفاده از نسبت کم‌تری از لیتیوم در مقایسه با مواد دیگر، می‌توان عملکرد باتری را بهینه کرد.

عجیب‌ترین یافته‌ی پژوهشگران نشان می‌دهد که ساختار سطحی یک کاتد استفاده‌نشده، با ساختار داخلی آن تفاوت بسیار دارد. در تمامی آزمایش‌ها، یک لایه از ماده با فاز متفاوت که اسپینل نام دارد، یافت شده است. پژوهش‌ها‌ی گذشته نشان می‌دهند که این لایه می‌تواند در کاتد‌ها‌ی استفاده‌شده و استفاده‌نشده، وجود داشته باشد.

گروه پژوهشی توانست با تغییر نسبت لیتیوم در ساختار فلزی، درست مانند تغییر دادن ساختار نوعی شیرینی، ارتباط بین ساختار سطحی و داخلی را بررسی و عملکرد الکتروشیمیایی مواد را اندازه‌گیری کند. تیم پژوهشی توانست از هر‌کدام از مواد کاتدی عکس‌ها‌ی سه‌بعدی کاملی در زوایای مختلف تهیه کند و هر کدام از آن‌ها را در سه‌ بعد اجرا کند.

کونتین رامسس، مدیر آزمایشگاه SuperSTEM، می‌گوید:

اطلاعات اتمی در مقیاس طولی مربوط به تکنولوژی باتری‌ها، یک چالش به‌تمام معنا است. این مثال مهمی در رابطه با چرایی اهمیت تکنیک‌ها‌ی عکس‌برداری و طیف‌سنجی در میکروسکوپ الکترونی و پژوهش‌ها‌ی جدید انرژی است. 

پژوهشگران به‌تازگی از تکنیک جدیدی به‌ نام اسکن چهاربعدی انتقالات میکروسکوپی الکترونی استفاده می‌کنند. تصاویر در تکنیک انتقالات میکروسکوپی الکترونی (TEM)، پس از گذر الکترون‌ها از یک ماده‌ی نمونه تهیه می‌شوند. در روش قدیمی اسکن الکترونی (STEM)، الکترون‌ها در یک نقطه‌ی هدف کوچک (به قطر ۰.۵ نانومتر یا یک میلیاردم متر) متمرکز می‌شوند و سپس نمونه‌ درست مانند یک ماشین چمن‌زنی، به عقب و جلو حرکت داده و اسکن می‌شود.

در اسکنر قدیمی (STEM)، تعدا الکترون‌ها‌ی پراکنده‌شده یا پراکنده‌نشده در هر پیکسل محاسبه می‌شوند. با این حال در اسکنر چهاربعدی، با استفاده از یک آشکار‌ساز الکترون سرعت بالا امکان تشخیص محل پراکنده شدن الکترون و وجود دارد و به پژوهشگران این امکان را می‌دهد تا ساختار ماده را در هر نقطه با تفکیک بالا مشخص کنند. کالین افس، پژوهشگر NCEM، می‌گوید:

معرفی دوربین‌ها‌ی الکترونی سرعت بالا به ما این امکان را می‌دهد که از نمونه‌ها‌ی بسیار بزرگ، اطلاعاتی در مقیاس اتمی به‌دست آوریم. اسکنر‌ چهاربعدی، یعنی می‌توانیم تمامی اجزای ماده را مورد بررسی قرار دهیم.