لأول مرة، لاحظ الباحثون كيفية تدفق أيونات الليثيوم عبر واجهات البطارية، مما قد يساعد المهندسين على تحسين تصميم المواد. حقق باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد والمسرع الوطني SLAC ومعهد أبحاث تويوتا تقدمًا كبيرًا في فهم فوسفات حديد الليثيوم، وهي مادة مهمة للبطاريات. وباستخدام التحليل المتقدم لصور الأشعة السينية، وجدوا أن التغيرات في كفاءة المادة ترتبط بسمك طبقة الكربون. يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تحسين أداء البطارية.
استخدم فريق من الباحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد ومختبر التسريع الوطني SLAC ومعهد تويوتا للأبحاث التعلم الآلي لإعادة تحليل صور الأشعة السينية لأيونات الليثيوم التي تدخل وتخرج من الجسيمات النانوية الكهربائية للبطارية (يسار) أثناء دورة البطارية. تُظهر الألوان الزائفة في هذه الصورة حالة الشحن لكل جسيم وتكشف عن العمليات غير المتجانسة داخل الجزيئات الفردية. مصدر الصورة: Cube3D
من خلال استخراج بيانات صور الأشعة السينية، توصل الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد والمسرع الوطني SLAC ومعهد أبحاث تويوتا إلى اكتشافات جديدة مهمة حول تفاعل فوسفات حديد الليثيوم، وهي مادة تستخدم في بطاريات السيارات الكهربائية والبطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن.
كشفت التكنولوجيا الجديدة عن بعض الظواهر غير المرئية سابقًا، بما في ذلك التغيرات في معدل تفاعلات إقحام الليثيوم في مناطق مختلفة من جسيمات فوسفات الحديد الليثيوم النانوية.
أهم النتائج العملية التي توصلت إليها الورقة هي أن التغيرات في معدلات التفاعل هذه ترتبط بالاختلافات في سمك طبقة الكربون على سطح الجزيئات، مما قد يحسن كفاءة الشحن والتفريغ لهذه البطاريات.
من خلال استخراج صور الأشعة السينية، توصل باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى اكتشاف جديد كبير حول تفاعل فوسفات حديد الليثيوم، وهي مادة تستخدم في بطاريات السيارات الكهربائية والبطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن. في كل زوج من الجسيمات في الشكل، يكون الجسيم الفعلي على اليسار والجسيم الذي قام الباحثون بمحاكاةه على اليمين. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين
هندسة الواجهة
"ما تعلمناه من هذه الدراسة هو أن الواجهة هي التي تتحكم حقًا في ديناميكيات البطارية، خاصة في البطاريات الحديثة اليوم المصنوعة من جزيئات نانوية من المواد النشطة." مارتن بازانت، كبير مؤلفي الدراسة وE.G. روس أستاذ الهندسة الكيميائية وأستاذ الرياضيات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
ويمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة لاكتشاف الفيزياء وراء الأنماط المعقدة في الصور للتعمق في العديد من المواد الأخرى، بما في ذلك ليس فقط الأنواع الأخرى من البطاريات، ولكن أيضًا الأنظمة البيولوجية مثل الخلايا المنقسمة للجنين النامي.
وقال بازانت: "أعتقد أن الشيء الأكثر إثارة في هذا العمل هو أننا قادرون على التقاط صور لنظام يشكل نمطاً وتعلم المبادئ التي تحكم هذا النمط".
البحوث التعاونية
الدكتور هونغبو تشاو، المؤلف الأول للدراسة الجديدة، كان طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون. ومن بين المؤلفين الآخرين ريتشارد براتز، أستاذ إدوين آر جيليلاند للهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وويليام تشويه، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد في جامعة ستانفورد ومدير مركز بطاريات SLAC-ستانفورد، وبريان ستوري، مدير أول للطاقة والمواد في معهد أبحاث تويوتا.
وقال تشويه: "حتى الآن، كنا قادرين على إنتاج أفلام أشعة سينية جميلة لجسيمات البطارية النانوية أثناء العمل، ولكن قياس وفهم التفاصيل الدقيقة لكيفية عملها كان صعبًا لأن الأفلام كانت غنية بالمعلومات". "من خلال التعلم بالصور من هذه الأفلام النانوية، يمكننا الحصول على رؤى لم تكن متاحة من قبل."
نمذجة معدل التفاعل
تتكون أقطاب بطارية ليثيوم فوسفات الحديد من العديد من جزيئات فوسفات حديد الليثيوم الصغيرة المحاطة بمحلول إلكتروليت. يبلغ قطر الجسيمات النموذجية حوالي 1 ميكرون وسمكها حوالي 100 نانومتر. عند تفريغ البطارية، تتدفق أيونات الليثيوم من محلول الإلكتروليت إلى المادة من خلال تفاعل كهروكيميائي يسمى الإقحام الأيوني. عندما يتم شحن البطارية، يتم عكس تفاعل الإقحام وتتدفق الأيونات في الاتجاه المعاكس.
وقال ستوري: "يعد فوسفات حديد الليثيوم (LFP) مادة مهمة للبطاريات بسبب تكلفته المنخفضة وخصائص السلامة الجيدة واستخدام العناصر الوفيرة". "إننا نشهد زيادة في استخدام فوسفات حديد الليثيوم في سوق السيارات الكهربائية، لذا فإن توقيت هذه الدراسة لا يمكن أن يكون أفضل."
قبل هذه الدراسة، أجرى بازانت نماذج نظرية واسعة النطاق حول أنماط تكوين إقحام أيون الليثيوم. يفضل فوسفات حديد الليثيوم أن يتواجد في إحدى مرحلتين مستقرتين: إما مليئة بأيونات الليثيوم أو فارغة. منذ عام 2005، عمل بازانت على نماذج رياضية لهذه الظاهرة، المعروفة باسم فصل الطور، والتي تحركها تفاعلات الإقحام التي تنتج أنماط تدفق أيون الليثيوم الفريدة. وفي عام 2015، أثناء إجازته في جامعة ستانفورد، بدأ العمل مع تشويه لمحاولة تفسير صور جزيئات فوسفات حديد الليثيوم من خلال المسح المجهري النفقي بالأشعة السينية.
باستخدام هذا المجهر، يمكن للباحثين الحصول على صور تظهر، بكسل تلو الآخر، تركيز أيونات الليثيوم في كل نقطة في الجسيم. يمكنهم مسح الجسيم عدة مرات أثناء شحنه أو تفريغه، مما يؤدي إلى إنشاء فيلم يوضح كيفية دخول أيونات الليثيوم داخل الجسيم وخارجه.
في عام 2017، تلقى بازانت وزملاؤه في SLAC تمويلًا من معهد أبحاث تويوتا لإجراء المزيد من الأبحاث باستخدام هذا النهج، إلى جانب مشاريع بحثية أخرى متعلقة بالبطاريات.
رؤى ونتائج
ومن خلال تحليل صور الأشعة السينية لـ 63 جزيئًا من فوسفات حديد الليثيوم أثناء شحنها وتفريغها، وجد الباحثون أن حركة أيونات الليثيوم داخل المادة كانت مطابقة تقريبًا لعمليات المحاكاة الحاسوبية السابقة التي أنشأها بازانت. استخدم الباحثون جميع وحدات البكسل البالغ عددها 180 ألف بكسل كبيانات قياس لتدريب النماذج الحسابية لإنشاء معادلات تصف بدقة الديناميكا الحرارية غير المتوازنة وحركية التفاعل لمواد البطارية.
وقال بازانت: "كل بكسل صغير في الداخل يقفز من ممتلئ إلى فارغ، ومن ممتلئ إلى فارغ. نحن نرسم خريطة للعملية برمتها، باستخدام معادلاتنا لفهم كيف يحدث هذا".
ووجد الباحثون أيضًا أن أنماط تدفق أيونات الليثيوم التي لاحظوها يمكن أن تكشف عن اختلافات مكانية في سرعة امتصاص أيونات الليثيوم في كل موقع على سطح الجسيم.
قال بازانت: "لقد فاجأنا حقًا أننا تمكنا من النظر إلى الصور لفهم عدم التجانس في النظام - في هذه الحالة، التغيرات في معدلات تفاعل السطح. يبدو أن بعض المناطق تتفاعل بسرعة كبيرة، ويبدو أن بعض المناطق تتفاعل ببطء شديد".
بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن هذه الاختلافات في معدلات التفاعل كانت مرتبطة بسمك طبقة الكربون على سطح جزيئات فوسفات حديد الليثيوم. يساعد الغلاف الكربوني الموجود على فوسفات حديد الليثيوم على توصيل الكهرباء، وإلا فإن المادة ستوصل الكهرباء ببطء شديد بحيث لا تكون مفيدة كبطارية.
على المستوى النانوي، تتحكم التغيرات في سمك طلاء الكربون بشكل مباشر في الموصلية، وهو أمر لم يكن من الممكن اكتشافه بدون هذه النمذجة وتحليلات الصور. توفر النتائج أيضًا دعمًا كميًا لفرضية اقترحها بازانت منذ عدة سنوات، وهي أن أداء أقطاب فوسفات حديد الليثيوم محدود في المقام الأول بمعدل نقل الإلكترون الأيوني المقترن عند السطح البيني بين الجسيمات الصلبة وطلاء الكربون، بدلاً من معدل انتشار أيون الليثيوم في المادة الصلبة.
تحسين المواد
وقال الباحثون إن نتائج هذه الدراسة تظهر أن تحسين سمك طبقة الكربون على سطح القطب الكهربائي يمكن أن يساعد الباحثين على تصميم بطاريات تعمل بكفاءة أكبر.
هذه هي الدراسة الأولى التي تمكنت من ربط خصائص مادة البطارية مباشرة بالخصائص الفيزيائية للطلاء. ينبغي أن يكون التركيز في تحسين البطاريات وتصميمها هو التحكم في حركية التفاعل في واجهة الإلكتروليت والقطب الكهربائي.
وقال ستوري: "إن نشر هذه الورقة هو تتويج لست سنوات من العمل الجاد والتعاون". "تسمح لنا هذه التقنية بالكشف عن الأعمال الداخلية للبطاريات بطريقة لم تكن ممكنة من قبل. هدفنا التالي هو تحسين تصميم البطارية من خلال تطبيق هذا الفهم الجديد."
بالإضافة إلى استخدام هذه الطريقة التحليلية على مواد البطاريات الأخرى، يتوقع بازانت أنه يمكن استخدامها لدراسة تكوين الأنماط في الأنظمة الكيميائية والبيولوجية الأخرى.