Lityum-iyon piller ataç gibidir. Hem kulaklıklarda hem de elektrikli araçlarda görülen kemo-mekanik bozulma nedir?
Herkes pillerin kullanımla kaçınılmaz olarak bozulduğunu biliyor, ancak uzun bir süre boyunca hiçbir mühendis küçük mikroskobik değişikliklerin zaman içinde nasıl sürekli kapasite kaybına dönüştüğünü tam olarak açıklayamadı.
Yeni bir çalışma yayınlandı Science dergisi şimdi bulmacanın önemli bir parçasına işaret ediyor: mekanik “nefes alma” yani pillerin dahili bileşenlerinin her şarj ve deşarj döngüsünde tekrar tekrar genleşmesi ve daralması.
Austin’deki Texas Üniversitesi, Northeastern Üniversitesi, Stanford Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan bir ekip tarafından geliştirilen araştırma, şu şekilde bilinen bir olguyu tanımlıyor: kemo-mekanik bozulma. Daha basit bir ifadeyle, pil şarj edildiğinde lityum iyonları elektrotlara girer; boşaldığında dışarı çıkarlar. Bu kimyasal göç malzemeler üzerinde fiziksel strese neden olur. Binlerce döngü boyunca bu çaba birikir ve hücreyi başarısızlık noktasına kadar zayıflatan iç deformasyonlara neden olur.
“Davulların her ‘nefesi’nde belli bir derece geri dönülmezlik”açıklıyor Yijin LiuAustin’deki Texas Üniversitesi’nde doçent ve araştırmanın lideri. THE ZME Bilimiçalışmaya adanan bir makalede, bu olguyu bir olayda olanlarla karşılaştırıyor. Ataç, Kırılana kadar defalarca bükülen bu malzemede, tek bir yük gözle görülür bir hasara neden olmayabilir ancak sürekli tekrarlanması iz bırakmaktadır.
Çalışmanın en büyük yeniliği “deformasyon basamakları” adı verilen bir iç mekanizmanın tanımlanmasıdır. Elektrotlar yüzbinlerce yoğun şekilde paketlenmiş mikroskobik parçacıklardan oluşuyor ve ekip, bu parçacıkların elektrokimyasal strese eşit şekilde tepki vermediğini gözlemledi. Bazıları hızlı hareket ederken bazıları nispeten istikrarlı kalır.
Bu tutarsızlık, zamanla çatlakların ve yapısal hasarın oluşmasını kolaylaştıran lokal gerilimler yaratır. Kırıklar başladığında elektriksel yollar bozulur ve performans kaybı hızlanma eğilimi gösterir.
Bu sonuçlara ulaşmak için araştırmacılar, malzemeleri arızalandıktan hemen sonra değil, çalışırken gözlemlemeyi mümkün kılan gelişmiş “çalışma” görüntüleme tekniklerine yöneldiler. Kullanılan yöntemler arasında, gerçek şarj ve deşarj döngüleri sırasında bozulmamış pillerin içini, pilleri kesmeden veya fiziksel olarak değiştirmeden görmeyi mümkün kılan, hizmet içi iletim X-ışını mikroskobu ve 3D X-ışını laminografisi bulunmaktadır.
Bu olay, ekip kablosuz kulaklıklardaki küçük pilleri analiz ederken beklenmedik bir şekilde tespit edildi: hem küçük hücrelerde hem de daha büyük pillerde aynı mekanik gerilimler ortaya çıkar.
Etkileri cep telefonlarının çok ötesine geçiyor. Bozulma, temel bir engeldir elektrikli araçlar ve uzun yıllar süren döngüleri destekleyebilen pillere dayanan, yenilenebilir enerjiyle ilişkili şebeke depolama sistemleri için. Ömrü kısa olan piller maliyetleri artırır, daha fazla atık üretir ve enerji geçişini geciktirir.
Çalışma, mekanik stresin nasıl ve nerede biriktiğini belirleyerek aynı zamanda aşağıdaki ipuçlarına da işaret ediyor: tasarımı geliştirmek: Deformasyonu sınırlandırmak için hücrelere kontrollü basınç uygulayın ve partiküllerin daha homojen hareket etmesi için elektrotları yeniden tasarlayın, böylece deformasyon basamakları olasılığını azaltın.