مليارات الجزيئات الصغيرة الموجودة في أقطاب بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن مسؤولة عن تخزين الشحنة وتشغيلها عند الحاجة. تُظهر أفلام الأشعة السينية لهذه العملية أن الجزيئات تمتص وتطلق أيونات الليثيوم أثناء شحن البطارية وتفريغها. الآن، استخدم الباحثون تقنية التعلم الآلي التي تسمى رؤية الكمبيوتر للحفر بشكل أعمق وتحليل كل بكسل من أفلام الأشعة السينية هذه، والكشف عن تفاصيل فيزيائية وكيميائية غير مرئية سابقًا لدورة البطارية، وهي خطوة كبيرة إلى الأمام.
أفاد باحثون من مختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وجامعة ستانفورد، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومعهد أبحاث تويوتا في 13 سبتمبر في مجلة Nature أن النهج الجديد اقترح طريقة لتمكين مليارات الجسيمات النانوية في قطب بطارية ليثيوم أيون من تخزين وإطلاق الشحنة بشكل أكثر كفاءة.
قال ويليام تشويه، الأستاذ المساعد في جامعة ستانفورد، عالم قسم SLAC ومدير مركز بطاريات SLAC-Stanford، الذي شارك في قيادة البحث مع أستاذ مشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مارتن بازانت: "من الممكن الآن إنتاج أفلام أشعة سينية جميلة لجسيمات نانوية للبطارية أثناء العمل، لكن هذه الأفلام كثيفة المعلومات لدرجة أن فهم التفاصيل الدقيقة لكيفية عمل الجسيمات يمثل تحديًا حقيقيًا".
وقال تشويه: "الآن يمكننا الحصول على رؤى لم تكن ممكنة من قبل". يحتاج شركاؤنا في الصناعة إلى هذه المعلومات الأساسية المستندة إلى العلوم لتطوير بطاريات أفضل بشكل أسرع. "
وعلى نطاق أوسع، يقول الباحثون، إن هذه الطريقة لاكتشاف الفيزياء وراء الأنماط المعقدة في الصور يمكن أن توفر رؤى غير مسبوقة لأنواع أخرى من الأنظمة الكيميائية والبيولوجية، مثل انقسام الخلايا في الأجنة النامية.
بطارية شفافة تكشف الأسرار
جزيئات البطارية التي درسها فريق البحث مصنوعة من فوسفات حديد الليثيوم، أو LFP. وهي معبأة في الأقطاب الكهربائية الموجبة للعديد من بطاريات الليثيوم أيون بالمليارات، وكل منها مطلية بطبقة رقيقة من الكربون لتحسين موصلية القطب.
ولرؤية ما يحدث داخل البطارية أثناء عملها، قام فريق تشويه بإنشاء خلايا شفافة صغيرة يحيط فيها قطبان كهربائيان بمحلول إلكتروليت مملوء بأيونات الليثيوم حرة الحركة.
عندما تفرغ البطارية، تتدفق أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب لبطارية الليثيوم أيون وتستقر في جزيئاتها النانوية مثل السيارة في موقف سيارات مزدحم، وهو تفاعل يعرف باسم الإقحام. عندما يتم شحن البطارية، تتدفق أيونات الليثيوم مرة أخرى، وتصل إلى القطب السالب المعاكس.
استخدم فريق من الباحثين من SLAC وجامعة ستانفورد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد تويوتا للأبحاث تقنيات التعلم الآلي لإعادة تحليل أفلام الأشعة السينية مثل هذه الصورة التي تبلغ بكسلًا تلو الآخر، واكتشاف تفاصيل فيزيائية وكيميائية جديدة لدورة البطارية. تعتمد هذه الرسوم المتحركة على صور الأشعة السينية التي أنتجها الفريق في عام 2016. وهي توضح كيف أن بعض مليارات الجسيمات النانوية الموجودة في قطب بطارية ليثيوم أيون تشحن (من الأحمر إلى الأخضر) وتفرغ (من الأخضر إلى الأحمر) مع تدفق أيونات الليثيوم داخل وخارج، وتكشف عن مدى عدم انتظام العملية داخل الجزيئات الفردية. المصدر: مختبر التسريع الوطني SLAC
وقال بريان ستوري، المدير الأول للطاقة والمواد في معهد أبحاث تويوتا: "يعد فوسفات حديد الليثيوم مادة مهمة للبطاريات بسبب تكلفتها المنخفضة وأداء السلامة الجيد والاستخدام الوفير للعناصر. إننا نشهد استخدامًا متزايدًا للـ LFP في سوق السيارات الكهربائية، لذا فإن توقيت هذا البحث لا يمكن أن يكون أفضل".
تاريخ التعاون والأعمال السابقة
بدأ تشويه وبازانت التعاون في أبحاث البطاريات منذ ثماني سنوات. قام بازانت بنمذجة رياضية واسعة النطاق للأنماط التي تشكلها أيونات الليثيوم أثناء تحركها داخل وخارج جزيئات LFP. يستخدم تشويه مجهرًا متقدمًا للأشعة السينية في مصدر الضوء المتقدم التابع لمختبر لورانس بيركلي الوطني لالتقاط أفلام نانوية الحجم لجزيئات البطارية أثناء العمل، بتفاصيل صغيرة تصل إلى جزء من مليار من المتر.
في عام 2016، نشر فريقهم البحثي أفلامًا نانوية رائدة توضح كيفية تحرك أيونات الليثيوم داخل وخارج الجسيمات النانوية LFP الفردية.
بعد ذلك، وبتمويل من معهد أبحاث تويوتا، بدأ الفريق في استخدام أدوات التعلم الآلي التي تم تطويرها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لتسريع عملية اختبار البطاريات بشكل كبير وغربلة العديد من طرق الشحن الممكنة للعثور على أكثر الطرق كفاءة. كما قاموا بدمج التعلم الآلي التقليدي، الذي يبحث عن أنماط في البيانات، مع المعرفة المكتسبة من التجارب والمعادلات التي تسترشد بالفيزياء لاكتشاف وشرح العمليات التي تقصر من عمر بطاريات الليثيوم أيون سريعة الشحن.
تحليل بكسل تلو الآخر
في هذه الدراسة الأخيرة، استخدم تشويه وبازانت الرؤية الحاسوبية، وهي مجال فرعي من التعلم الآلي، لاستخراج معلومات أكثر تفصيلاً من 62 فيلمًا بالأشعة السينية النانوية التي التقطوها في عام 2016 حول شحن أو تفريغ جزيئات بطارية ليثيوم أيون. تحتوي كل صورة ثابتة في هذه الأفلام على حوالي 490 بكسل، وهي أصغر وحدة معلومات يمكن الحصول عليها من الصورة، سواء كانت صورة كاشف ملتقطة بالأشعة السينية أو ضوء مرئي ملتقط بواسطة كاميرا الهاتف الذكي. وهذا يمنحهم ما يقرب من 180.000 بكسل من المعلومات.
استخدم الفريق هذه الـ 180.000 بكسل لتدريب نموذجهم الحسابي لإنشاء معادلات تصف بدقة كيفية حدوث تفاعل إدخال الليثيوم. ووجدوا أن حركة الأيونات داخل جزيئات LFP تتطابق بشكل جيد مع تنبؤات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها بازانت.
وقال بازانت: "كل بكسل صغير في الداخل يقفز من ممتلئ إلى فارغ، ومن ممتلئ إلى فارغ". "نحن نرسم خريطة للعملية برمتها، باستخدام معادلاتنا لفهم كيفية حدوث ذلك."
وقال بازانت: "لقد كشفت التكنولوجيا الجديدة عن بعض الظواهر غير المرئية من قبل، بما في ذلك التغيرات في معدل تفاعلات إدخال الليثيوم في مناطق مختلفة من جسيم نانوي واحد LFP". "يبدو أن بعض المناطق تتفاعل بسرعة كبيرة والبعض الآخر ببطء شديد."
أهم النتائج العملية التي توصلت إليها الورقة هي أن التغيرات في سمك طبقة الكربون لجزيئات LFP تتحكم بشكل مباشر في سرعة دخول وخروج أيونات الليثيوم، مما قد يؤدي إلى زيادة كفاءة الشحن والتفريغ.
وقد تعلم العلماء من هذه الدراسة أن ما يتحكم في عملية البطارية هو السطح البيني بين الإلكتروليت السائل ومادة الإلكترود الصلبة - حيث تتفاعل تفاعلات الإقحام والتغيرات في سمك طبقة الكربون الحبيبية بطرق معقدة. وهذا يعني أن الخطوة التالية يجب أن تكون حقًا هي هندسة الواجهة.
وأضاف ستوري من معهد أبحاث تويوتا: "إن نشر هذه الورقة هو تتويج لست سنوات من العمل الجاد والتعاون. وتسمح لنا هذه التكنولوجيا بالكشف عن الأعمال الداخلية للبطارية بطريقة لم يتم القيام بها من قبل. وهدفنا التالي هو تحسين تصميم البطارية من خلال تطبيق هذا الفهم الجديد."