محققان دانشگاه میشیگان با همکاری دانشمندان ایرانی موفق شدند گام جدیدی را در عرصه فناوری باتری‌های لیتیم-یون بردارند.

 باتری‌های لیتیم یون، قلب انرژی‌بخش تقریبا تمامی فناوری‌ها از گوشی‌های همراه و تبلت‌ها گرفته تا وسایلنقلیه الکتریکی هستند، زیرا سبک، ماندگار و قدرتمند بوده و با این حال، این باتری‌ها کامل نیستند.

به گفته رضا شهبازیان، دانشیار مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی میشیگان، شاید بتوان با یک بار گوشی هوشمند را هفت یا هشت ساعت شارژ کرد و همچنین یک خودروی «نیسان لیف» بتواند در هر بار بیش از 100 مایل سفر کند، اما برای واردشدن این فناوری به بازار انبوه، این اتومبیل باید بتواند تا 300 مایل را طی کند و این امر با افزایش قدرت این سیستم امکان‌پذیر است.

به منظور ارتقاء قدرت باتری‌های لیتیم-یون، دانشمندان در حال آزمایش مواد و طرح‌های مختلفی هستند اما عملیات مهم در این راستا در سطح اتمی صورت می‌گیرد و هنوز مشخص نشده که دقیقا در چنین سطحی چه رخ می‌دهد.

هم‌اکنون شهبازیان و تیم علمی‌اش شامل هستی آسایش اردکانی، فرزاد مشایخ و دیگر محققان، ابزاری را طراحی کرده‌اند که به دانشمندان امکان مشاهده یون‌های منفرد لیتیم و طراحی نسل جدیدی از باتری‌ها را می‌دهد.

باتری‌ها ساختار بسیار ساده‌ای دارند که شامل آند، کاتد و الکترولیت، که بین دو الکترود قرار گرفته، ‏است.

در باتری‌های لیتیمی، یون لیتیم بین دو الکترود آند و کاتد در حرکت است. جنس آند این ‏باتری‌ها از گرافیت است و با شارژ و ‏تخلیه‌شدن باتری، الکترود به آرامی از بین می‌رود، بنابراین، پس از مدتی ‏استفاده از باتری، ظرفیت آن کاهش می‌یابد. در صورت حل چنین مشکلی، دوام باتری‌ها افزایش قابل‌توجهی را تجربه خواهد کرد.

دانشمندان حاضر در این مطالعه با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری اصلاح‌شده (AC-STEM) اتم‌های سبک و ساختار الکترودها را مشاهده کردند.

به منظور تعیین این موضوع که چگونه الکترود میزبان باتری زمانی که یون‌های لیتیم وارد آن می‌شود، تغییر می‌کند، تیم علمی با استفاده از ماده الکترودی جدید به نام اکسید قلع (SnO2) یک نانوباتری جدید را در درون میکروسکوپ مزبور ایجاد و سپس شارژ کردن آن را مشاهده کردند.

شهبازیان و تیمش بر تغییرات اکسید قلع در مرز حرکت لیتیم-یون در درون الکترود نظارت کردند و توانستند چگونگی ورود یون‌های منفرد لیتیم به الکترود را مشاهده کنند.

آن‌ها دریافتند یون‌های لیتیم در طول کانال‌های خاص به هنگام جاری‌شدن به درون بلورهای اکسید قلع (به جای پیاده‌روی تصادفی به درون اتم‌های میزبان) حرکت کردند.

بر اساس این داده‌ها، محققان توانستند زنجیره یون‌هایی که بر روی الکترودها قرار می‌گیرند و در نتیجه، فشار وارده به الکترود را محاسبه کنند.

این کشف در طراحی‌ باتری‌های کارآمدتر به محققان کمک می‌کند.

موفقیت جدید نوید مهمی را به حوزه‌های صنعتی و فناوری علاقه‌مند به استفاده از توانایی تفکیک‌پذیری اتمی وارد می‌کند.