چرا باتری موبایل خراب می‌شود

باتری از کار افتاده در گوشی‌های هوشمند (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © lumenphotos / Adobe Stock
 

یک تیم بین المللی از محققان به تازگی در مجله «مواد انرژی پیشرفته»، وسیع ترین تحقیق در مورد این که چه اتفاقی هنگام خرابی باتری می افتد را، با تمرکز همزمان روی قسمت های مختلف باتری، انجام داده است. نقش ESRF، سنکروترون اروپا در فرانسه، برای موفقیت تحقیق بسیار مهم بود.
 
ما همه این را تجربه کرده ایم: شما تلفن همراه خود را شارژ کرده اید و پس از یک دوره کوتاه استفاده از آن، باتری به گونه ای غیر معمول به سرعت تخلیه می شود. به نظر می رسد که الکترونیک مصرف کننده، قدرت را با نرخهای نامنظم از دست می دهد و این به دلیل ناهمگنی در باتریهاست. هنگامی که گوشی دارد شارژ می شود، اول لایه‌ی بالا شارژ می شود و بعد لایه‌ی پایین شارژ می شود. ممکن است تلفن همراه، هنگامی که شارژ سطح بالایی تمام شد، نشان دهد که شارژ باتری کامل شده است در حالی که سطح پایینی شارژ نشده است. اگر شارژ لایه پایین را مبنای کامل شدن شارژ باتری قرار دهید، لایه‌ی بالایی بیش از ظرفیت شارژ می شود و دچار مشکلات ایمنی خواهد شد.
 
حقیقت این است که باتری ها متشکل از قطعات بسیاری هستند که هر کدام رفتاری متفاوت دارند. پلیمر جامد کمک می کند که ذرات با هم نگاه داشته شوند، افزودنی های کربنی باعث اتصال الکتریکی می شوند، و بالاخره ذرات فعالی در باتری به ذخیره و آزاد سازی انرژی می پردازند.
 
یک تیم بین المللی از دانشمندان از ESRF، SLAC، تکنولوژی ویرجینیا، و دانشگاه پوردو خواستند بفهمند و به طور کمّی تعریف کنند که چه چیزی منجر به خرابی باتری های یون لیتیوم می شود. تا آن زمان، مطالعات یا متمرکز شده بود روی نواحی منفرد یا ذرات موجود در کاتد در طول خرابی، یا متمرکز شده بود روی نگاه کردن به رفتار ترازی باتری بدون ارائه جزئیات کافی میکروسکوپی. در حال حاضر این مطالعه اولین نگاه سراسری با مقدار بی سابقه ای از جزئیات ساختاری میکروسکوپیک را برای کامل کردن مطالعات موجود در سوابق مکتوب مربوط به باتری فراهم می آورد.
 
اگر شما یک الکترود کامل داشته باشید، هر ذره منفرد باید رفتار مشابهی داشته باشد. ممکن است تلفن همراه، هنگامی که شارژ سطح بالایی تمام شد، نشان دهد که شارژ باتری کامل شده است در حالی که سطح پایینی شارژ نشده است. با این حال، الکترودها بسیار ناهمگن و حاوی میلیون ها ذره هستند. هیچ راهی برای اطمینان از این وجود ندارد که ذرات به طور همزمان به صورت یکسان رفتار کنند.
 
برای غلبه بر این چالش، تیم تحقیقاتی به شدت بر روشهای اشعه ایکس سینکروترون متکی بود و از دو امکانات سینکروترون برای مطالعه الکترودها در باتری‌ها استفاده کرد: ESRF (سینکروترون اروپا در گرنوبل، فرانسه)، و SLAC (آزمایشگاه ملی شتاب دهنده استانفورد در ایالات متحده). فنگ لین، استادیار تکنولوژی ویرجینیا، می گوید: "ESRF به ما اجازه داد که مقادیر بیشتری از ذرات باتری را با وضوح بالاتر مطالعه کنیم. آزمایشات تکمیلی، مخصوصا اسپکترو میکروسکوپی اشعه ایکس با رزولوشن نانو، در SLAC صورت گرفت."
 
یانگ یانگ، دانشمند ESRF و اولین نویسنده این مقاله، توضیح می دهد: "نانو توموگرافی کنتراست فاز اشعه ایکس سخت، هر ذره را در تفکیک قابل توجهی در طول ضخامت کامل الکترود به ما نشان داد. این به ما اجازه داد که میزان آسیب را در هر یک از آنها پس از استفاده از باتری ردیابی کنیم. تقریبا نیمی از اطلاعات مربوط به مقاله از سوی ESRF آمد."
 
ییجین لیو، دانشمند SLAC گفت: "قبل از آزمایشات ما نمی دانستیم که می توانیم این همه ذره را در یک زمان مطالعه کنیم. مجسم ساختن ذرات باتری فعال منفرد، تمرکز این فعالیت بود. برای ساختن یک باتری بهتر، شما باید سهم هر ذره منفرد را بیشتر کنید."
 
آزمایشگاه تکنولوژی ویرجینیا مواد و باتری ها را تولید کرد که سپس در ESRF و SLAC برای رفتارهای شارژ و بی کیفیت شدگی‌شان آزمایش شدند. کِجی ژائو، استادیار دانشگاه پوردو، تلاش مدل سازی محاسباتی را در این پروژه هدایت کرد.
 
یافته های این مقاله‌ی منتشر شده، روشی تشخیصی را برای به کار گیری و محو شدگی ذرات در باتری ها ارائه می دهد. اگر شارژ لایه پایین را مبنای کامل شدن شارژ باتری قرار دهید، لایه‌ی بالایی بیش از ظرفیت شارژ می شود و دچار مشکلات ایمنی خواهد شد. یانگ نتیجه می گیرد: "این می تواند این که چگونه صنعت الکترودهایی را برای باتری های سریع شارژ طراحی کند بهبود بخشد."
 

محققان پس از سالها کار بر روی یک باتری جریان آبکی آلی، متوجه شدند که مولکولهای آنتراکوینون آلی اصلی و مهم آنها در طول زمان تجزیه می شوند و باعث کاهش مفید بودن طولانی مدت باتری می شوند. در حال حاضر، محققان نه تنها یاد گرفته اند که چگونه مولکول ها تجزیه می شوند، بلکه حتی یاد گرفته اند چگونه این روال را معکوس کنند. روش دوباره جوان سازی تیم، نرخ محو ظرفیت باتری را در فاکتور 40 قطع می کند، در حالی که هزینه باتری همچنان اندک است.
     
یکی از محققان گفت: " اگر باتری های جریان آلی قرار است نفوذ وسیعی در بازار داشته باشند، وجود هزینه پایین برای تولید انبوه واقعا مهم است." "بنابراین، اگر ما بتوانیم از این تکنیک ها برای گسترش عمر باتری ها تا دهه ها استفاده کنیم، آنگاه ما یک شیمی بَرنده خواهیم داشت."
 
این یک گام بزرگ رو به جلو در قادر ساختن ما به جایگزینی سوخت‌های فسیلی با برق متناوب تجدید پذیر است.
 
از سال 2014، عزیز، گوردون و تیم آنها پیشگام توسعه باتری های جریان آبکی آلی مقرون به صرفه و بی خطر برای ذخیره سازی برق از منابع تجدید پذیر متناوب مانند باد و خورشید و تحویل آن به هنگامی که باد نمی وزد و خورشید نمی تابد بوده اند. مقدار تجزیه براساس سن تقویمی مولکولها است، نه اینکه باتری چند بار شارژ و تخلیه شده است. باتری های آنها از مولکول هایی به نام آنتراکوینون استفاده می کنند که از عناصر طبیعی فراوانی مانند کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده اند تا انرژی را ذخیره و آزاد کنند.
 
در ابتدا محققان تصور می کردند که طول عمر مولکول ها بستگی به این دارد که چند بار باتری شارژ و تخلیه شده باشد، مثلاً در باتری های الکترود جامد مانند یون لیتیوم. با این وجود، در مصالحه با نتایج متناقض، محققان دریافتند که صرف نظر از این که چند بار از باتری استفاده می شود این آنتراکوینون ها به آرامی در طول زمان تجزیه می شوند. آنها دریافتند که مقدار تجزیه براساس سن تقویمی مولکولها است، نه اینکه باتری چند بار شارژ و تخلیه شده است. این کشف باعث شد محققان سعی کنند مکانیسم هایی را که مولکول ها تجزیه می شوند مطالعه کنند.
 
منبع: تسهیلات تابش سنکروترونی اروپا، و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد