في العلم ، هناك قائمة طويلة بشكل مدهش من الأشياء التي ما زلنا لم نتحملها تمامًا حتى الآن ولكن لا نزال نستخدمها لأنها تعمل. لقد كان هذا هو الحال بشكل غير متوقع بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون-مصدر طاقة للسيارات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة المختلفة-حيث عرف العلماء ما هي الآلية ولكن لم تكن متأكدة تمامًا من كيفية عملها.
لحسن الحظ ، وجد علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الإجابة. بالنسبة لورقة علمية تم نشرها في 2 أكتوبر ، يصف الباحثون نموذجًا يوضح كيف يمكن أن يفسر النقل الإلكترون الأيوني (CIET) ، وهي عملية ينتقل فيها الإلكترون إلى القطب باستخدام أيون ، في هذه الحالة أيون ليثيوم ، مصدر حياة بطارية ليثيوم أيون. يمكن أن “توجه البصيرة” تصميم بطاريات ليثيوم أيون شحن أكثر قوة وأسرع “، وفقًا للباحثين.
سلسلة من الجزيئات
تعمل بطارية الليثيوم أيون النموذجية عبر آلية كيميائية تسمى intercalation. في الأساس ، أثناء تصريف البطارية ، تم إذابة أيونات الليثيوم في محلول كهربائيات إدراج نفسها داخل قطب صلب. عندما تكون أيونات “de-intercalate” والعودة إلى المنحل بالكهرباء ، فإن البطارية تتشحن.
أوضحت الورقة أن معدل التقاطع يحكم كل شيء بدءًا من قوة صافية للبطارية إلى سرعة الشحن – والسبب في أن الباحثين وجد أنه من الضروري فهم الآليات الأساسية بشكل أفضل.
في السابق ، كان العلماء يعتقدون أن الليثيوم في قطب كهربائي كان مدفوعًا بنموذج يصف مدى سرعة انتشار أيونات الليثيوم بين المنحل بالكهرباء والقطب. ومع ذلك ، لم تتطابق التجارب الفعلية تمامًا مع هذا النموذج ، مما يشير إلى الباحثين إلى أنه قد يكون هناك خيار آخر.
زوج السفر
بالنسبة للدراسة الجديدة ، أعد الباحثون أكثر من 50 مجموعة من الشوارد والأقطاب الكهربائية لتصويب الأشياء مرة واحدة وإلى الأبد. مثل التجارب السابقة ، وجدوا تناقضات كبيرة بين البيانات الفعلية والنموذج. لذا بدلاً من ذلك ، توصل الفريق إلى عدة بدائل يمكن أن تشرح ما يرونه.
أخيرًا ، قرروا على نموذج يعتمد على افتراض أن أيون الليثيوم لا يمكنه الدخول إلا إلى قطب كهربائي إذا كان يسافر بإلكترون من محلول كهربائي-نقل إلكترون أيون. أوضح الباحثون أن هذا الاقتران الكهروكيميائي يجعل من السهل حدوث التقاطع ، والرياضيات وراء CIET تناسب البيانات بشكل جيد.
“الخطوة الكهروكيميائية ليست إدراج الليثيوم ، والتي قد تعتقد أنها الشيء الرئيسي ، لكنها في الواقع نقل إلكترون لتقليل المواد الصلبة التي تستضيف الليثيوم” ، قال مارتن بازانت ، مؤلف مشارك في الدراسة وعالم الرياضيات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، لـ MIT News. “ليثيوم متداخلة في نفس الوقت الذي يتم فيه نقل الإلكترون ، ويسهل بعضهم البعض.”
ليس ذلك فحسب ، بل اكتشف الباحثون أيضًا أن تبديل تكوين الشوارد يؤثر على معدلات التبادل. وأوضحوا أن تحقيقات المتابعة يمكن أن تكشف عن طرق أكثر كفاءة لإنشاء بطاريات أقوى وأسرع.
وقال بازانت: “ما نأمل أن يتم تمكينه من خلال هذا العمل هو الحصول على ردود الفعل لتكون أسرع وأكثر تحكمًا ، والتي يمكن أن تسرع الشحن والتفريغ”.