Bazı pillerin çatlamadan nasıl genişlediği anlaşıldı

Bir aküyü şarj ettiğinizde veya kullandığınızda, yalnızca elektrik değil, içinde hareket eden bir madde. Elektrik yükü olan atomlar veya moleküller olan iyonlar, pil elektrotlarından diğerine geçerek elektrotları daraltır ve şişirir. Aslında, oldukça geniş ve kırılgan elektrot malzemelerinin bu genişleme ve daralma döngüleri altında çatlamaması uzun zamandır devam eden bir gizemdi.

Cevap sonunda bulmuş olabilir. MIT'deki bir araştırmacılar ekibi, Güney Danimarka Üniversitesi, Rice Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı, sıranın elektrotların moleküler yapısında olduğunu tespit etti. Elektrot malzemeleri normal olarak kristal haldeyken, tüm atomları düzenli ve tekrarlayan bir dizide düzenlenmiş haldeyken, şarj veya boşaltma işlemine girdiklerinde, boyutsal değişikliklerin gerginliğini barındıracak düzensiz, cam benzeri bir faza dönüştürülürler. .

Gelecekteki pil tasarımını etkileyebilecek ve hatta yeni tür aktüatörlere yol açabilecek yeni bulgular, MIT malzeme bilim ve mühendisliği profesörü Yet-Ming Chiang, yüksek lisans öğrencileri Kai Xiang ve Wenting Xing tarafından hazırlanan bir makalede Nano Letters dergisinde bildirildi Ve sekiz diğer.

Teorik olarak, bir dayanak üzerinde bir lityum iyon pil uzatacak olsaydınız, her iki tarafında bir elektrot vardı, Chiang, "şarj edilmekte ve boşaltılmışken, bir deniz kuyusu gibi aşağı yukarı inecek" diyor. İyonlar ileri geri dolaşımda kütle değişikliği, aynı zamanda, "yüzde 1 veya benzeri, silikona kadar yüzde 300 oranında genişleyebilen" malzemeye bağlı olarak değişebilen bir genişleme veya daralma eşlik ediyor diyor.

Bu araştırma, sodyum-iyon pil denilen farklı bir pil türünü ele aldı. Bilim adamları, fosfo-olivinler ve potasyum-demir-fosfat (NaFePO4) olarak adlandırılan potansiyel pil katotları (pozitif elektrotlar) olarak görülen belirli bir materyal sınıfına baktılar. Çok geniş bir aralıkta hacim değişikliklerini ince ayar yapmanın mümkün olduğunu keşfettiler - sadece maddenin ne kadar genişlediğini ve ne kadar genişlediğini değil, aynı zamanda bunun nasıl dinamiklerini de değiştiriyor. Bazı kompozisyonlar için genişleme çok yavaş ve kademeli, ancak diğerleri için aniden artabilir.

Chiang, "Olivinlerin bu ailesi içinde," yavaş yavaş, kademeli olarak değişime sahip olabiliriz "diyor, neredeyse sıfır şarjdan çok yüksek bir güce kadar tüm aralığı kapsıyor. Alternatif olarak, değişim yaklaşık% 17 oranında hacmini hızla değiştiren NaFePO4'de olduğu gibi "değişim çok önemli" olabilir.

Chiang, "Bunun gibi gevrek bileşiklerin normalde yüzde 1'den daha az hacim değişikliği ile kırılacağını biliyoruz" dedi. "Peki bu malzeme bu kadar büyük hacim değişikliklerini nasıl karşılayabilir? Bir bakıma, bulduğumuz, kristalin kesin düzenlenmiş kafesini korumak yerine kristalden vazgeçip düzensiz bir cam oluşturması" dır.

"Bu, bu tür diğer bileşiklere daha geniş bir şekilde uygulanabileceğini düşündüğümüz bir mekanizma" diyerek, bulguların "piller için yararlı olabilecek camsı materyallerin oluşturulması için yeni bir yol" olduğunu belirtti. Chiang, camsı bir kompozisyona geçiş gerçekleştikten sonra hacim değişiklikleri aniden değil de kademeli hale geldi ve sonuç olarak "daha uzun sürebilir" dedi.

Bulgular, daha uzun ömürlü, daha yüksek kapasiteli piller geliştirmeye çalışan kişiler için yeni bir tasarım aracı sağlayabilir diyor. Aynı zamanda, hacim değişikliklerinin kullanılabileceği, örneğin robotik aktüatörler veya implante edilebilir cihazlardan ilaç vermeye yönelik pompalar gibi olası uygulamalara da yol açabilir.

Ekip, bu olivin bileşiklerini sentezlemenin daha kolay yolları üzerinde çalışmaya ve bu faz değiştiren mülkiyetini paylaşan daha geniş bir kristal materyal ailesi olup olmadığına karar vermeyi planlıyor.

Öykü Kaynak:

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü