ابداع یک مدل ریاضی برای برطرف نمودن مشکلات باتری های آینده

ابداع یک مدل ریاضی برای برطرف نمودن مشکلات باتری های آینده

بیست و یکم: پژوهشگران ˮدانشگاه استنفوردˮ، یک مدل ریاضی ابداع نموده اند که می تواند به برطرف نمودن چالش های ساخت باتری های آینده کمک نماید.


به گزارش بیست و یکم به نقل از ایسنا و به نقل از وب سایت رسمی "دانشگاه استنفورد"(Stanford University)، شاید نتایج یک مطالعه جدید بتوانند راه را برای ساخت باتری های لیتیوم-فلزی ایمن تر هموار کنند.
باتری های لیتیوم-فلزی، از خانواده سلول های لیتیوم-یون قابل شارژ هستند که به شکل گسترده در وسایل الکترونیکی قابل حمل و خودرو های الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند و به عنوان نسل بعدی دستگاه های ذخیره سازی انرژی، فوق العاده نویدبخش هستند. باتری های لیتیوم-فلزی در مقایسه با همتایان لیتیوم-یون خود، انرژی بیشتری را نگه می دارند، سریع تر شارژ می شوند و وزن بسیار کمتری دارند.
با این وجود، استفاده تجاری از باتری های لیتیوم-فلزی قابل شارژ تا حالا محدود بوده است. دلیل اصلی این مشکل، تشکیل "دندریت ها"(dendrites) است. دندریت ها، ساختارهای نازک، فلزی و درخت مانندی هستند که با تجمع لیتیوم روی الکترودهای داخل باتری رشد می کنند. دندریت ها، عملکرد باتری را کم می کنند و در نهایت، خرابی به بار می آورند که در بعضی موارد حتی می تواند حریق خطرناکی را به همراه داشته باشد.
این پژوهش جدید، به بررسی مشکل دندریت ها از دیدگاه نظری پرداخته است. پژوهشگران دانشگاه استنفورد، یک مدل ریاضی ابداع نموده اند که فیزیک و شیمی دخیل در تشکیل دندریت را گرد هم می آورد. این مدل ریاضی نشان میدهد که استفاده از الکترولیت های جدید با خاصیت های خاص می تواند رشد دندریت را کُند سازد یا حتی بطور کامل متوقف نماید.
"وییو لی"(Weiyu Li)، از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: هدف پژوهش ما، کمک کردن به طراحی باتری های لیتیوم-فلزی با طول عمر بیشتر است. چارچوب ریاضی ما، فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی کلیدی در باتری های لیتیوم-فلزی را در مقیاس مناسب محاسبه می کند.
"حمدی چلپی"(Hamdi Tchelepi)، از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: این پژوهش، تعدادی از جزییات خاص را در مورد شرایطی که دندریت ها تحت آن می توانند تشکیل شوند و همین طور مسیرهای ممکن برای سرکوب رشد آنها ارائه می کند.

مسیر جدیدی برای طراحی باتری ها
پژوهشگران مدت ها تلاش نموده اند تا عواملی را که به تشکیل دندریت می انجامند، درک کنند اما کار آزمایشگاهی، کاری فشرده بشمار می رود که تفسیر نتایج آن دشوار است. پژوهشگران با درک این چالش، یک نمایش ریاضی را در مورد میدان های الکتریکی داخل باتری ها و انتقال یون های لیتیوم بوسیله مواد الکترولیت، در کنار سایر مکانیسم های مرتبط ایجاد کردند.
چلپی افزود: امید ما این است که سایر پژوهشگران بتوانند از راهنمایی پژوهش ما برای طراحی دستگاه هایی استفاده کنند که دارای خاصیت های مناسب هستند و می توانند میزان آزمون و خطا و تغییرات آزمایشی را که باید در لابراتوار انجام شوند، کاهش دهند.
راهبردهای جدید طراحی الکترولیت که در این پژوهش آمده اند، بررسی موادی را شامل می شوند که "ناهمسان گرد"(anisotropic) هستند؛ بدین مدلول که خواص متفاوتی را در جهات مختلف از خود نشان می دهند.
در مورد الکترولیت های ناهمسان گرد، این مواد می توانند فعل و انفعال پیچیده بین انتقال یون و شیمی سطح را تنظیم کنند و از تجمعی که به تشکیل دندریت منجر می شود، جلوگیری نمایند. بگفته پژوهشگران، تعدادی از کریستال ها و ژل های مایع نیز خاصیت های مورد نظر را نشان می دهند.
روش دیگری که در این پژوهش شناسایی شده، روی جداکننده های باتری متمرکز است. جداکننده ها، غشاهایی هستند که از تماس و اتصال کوتاه الکترودهای پایانه مخالف باتری جلوگیری می کنند. می توان انواع جدیدی از جداکننده ها را طراحی کرد که دارای منافذی باشند که موجب می شوند یون های لیتیوم به روشی ناهمسان گرد در سراسر الکترولیت به عقب و جلو بروند.

آزمایش و ساخت
این گروه پژوهشی، مشتاقانه منتظر دیدن کار سایر پژوهشگران علمی هستند که سرنخ های شناسایی شده ای را در پژوهش خود دنبال می کنند. مراحل بعدی شامل ساخت دستگاه های واقعی هستند که بر فرمول های آزمایشی جدیدی برای الکترولیت و ساخت باتری تکیه می کنند. سپس، بررسی می شود که آیا ممکنست این فرمول ها موثر، مقیاس پذیر و مقرون به صرفه باشند یا خیر.
"دنیل تارتاکوفسکی"(Daniel Tartakovsky)، از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: پژوهش های بسیاری در حوزه طراحی مواد و تأیید سیستم های پیچیده باتری انجام می شوند و می توان اظهار داشت که چارچوب های ریاضی مانند آنچه که به سرپرستی وییو لی انجام می شود، تا حد زیادی در بین این تلاش ها گم شده اند.
تارتاکوفسکی و همکارانش درحال کار کردن روی ساخت یک نمایش مجازی کامل معروف به "آواتار دیجیتال" از "سیستم های باتری لیتیوم-فلزی"(DABS) هستند.
تارتاکوفسکی اظهار داشت: این پژوهش، یک آواتار دیجیتالی جامع یا کپی باتری های لیتیوم-فلزی بشمار می رود که در لابراتوار ما درحال توسعه است. با کمک DABS، ما به پیشبرد پیشرفته ترین دستگاه های ذخیره انرژی امیدوارکننده ادامه خواهیم داد.
این پژوهش، در "Journal of The Electrochemical Society" به چاپ رسید.




منبع:

1401/04/01
14:32:30
0.0 / 5
18
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)

تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب
لطفا شما هم نظر دهید
= ۴ بعلاوه ۲
بیست و یکم