[ad_1]

تصویر

تصویر: این تصویر که توسط DOE ایجاد شده ، یونها را در یک باتری لیتیوم یونی کاملاً شارژ شده نشان می دهد. تیمی از محققان با استفاده از APS روش جدیدی را برای اندازه گیری دقیق حرکت این … دیدگاه ها کشف کرده اند بیشتر

اعتبار: وزارت نیرو

آینده تحرک خودروهای برقی ، کامیون ها و هواپیماها است. اما به هیچ وجه نمی توان طراحی باتری را در آینده تأمین کرد. حتی باتری های تلفن همراه و لپ تاپ شما نیز الزامات متفاوت و طراحی های مختلفی دارند. باتری های مورد نیاز ما طی چند دهه آینده باید متناسب با کاربردهای خاص آنها باشد.

و این بدان معنی است که دقیقاً می دانید در هر نوع باتری چه اتفاقی می افتد. هر باتری بر اساس همان اصل کار می کند: یون ها که اتم یا مولکول هایی با بار الکتریکی هستند ، از طریق ماده ای به نام الکترولیت جریان را از آند به کاتد منتقل می کنند و سپس به عقب برمی گردند. اما حرکت دقیق آنها از طریق این مواد ، چه مایع و چه جامد ، دانشمندان را برای دهه ها متحیر کرده است. دانستن اینکه چگونه انواع مختلف یونها از طریق انواع مختلف الکترولیتها حرکت می کنند ، به محققان کمک می کند تا درک کنند که چگونه بر این حرکت تأثیر می گذارند ، باتری هایی ایجاد می کنند که شارژ و تخلیه می شوند به بهترین وجهی که برای استفاده خاص آنها مناسب باشد.

“پیش از این ما باید نقاط را به هم متصل می کردیم و اکنون می توانیم یون ها را مستقیماً شناسایی کنیم. هیچ ابهامی وجود ندارد.” – Venkat Srinivasan ، معاون مدیر مرکز مشترک تحقیقات ذخیره انرژی ، آزمایشگاه ملی در آرگون

در یک دستیابی به موفقیت ، تیمی از دانشمندان ترکیبی از تکنیک ها را نشان دادند که امکان اندازه گیری دقیق یون های در حال حرکت از طریق باتری را فراهم می کند. با استفاده از منبع پیشرفته فوتون (APS) ، بخش علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی آرگون DOE ، این محققان نه تنها هنگام کار ، باتری را زیر و رو می کنند ، پاسخ های زمان واقعی را اندازه می گیرند ، بلکه در را باز می کنند برای آزمایش های مشابه با انواع مختلف باتری.

محققان در مورد این نتیجه با مرکز مشترک تحقیقات صرفه جویی در انرژی (JCESR) ، مرکز نوآوری انرژی DOE که توسط آرگون اداره می شود همکاری می کنند. سند تیم ، که جزئیات میزان یونهای لیتیوم در حال حرکت از طریق الکترولیت پلیمر را بیان می کند ، در سال 2007 منتشر شد انرژی و علوم محیطی.

هانس گئورگ اشتاینروک ، استاد دانشگاه پادربورن آلمان و اولین نویسنده مقاله ، گفت: “این ترکیبی از روشهای مختلف آزمایشی برای اندازه گیری سرعت و غلظت است ، و سپس هر دو را با تئوری مقایسه کنید.” “ما نشان داده ایم که این امکان وجود دارد و اکنون آن را روی سیستم های دیگری که ماهیت متفاوت دارند پیاده خواهیم کرد.”

این روش ها ، که بر روی خط پرتو APS 8-ID-I انجام می شود ، شامل استفاده از اشعه ایکس بسیار روشن برای اندازه گیری سرعت حرکت یونها از طریق باتری و اندازه گیری همزمان غلظت یونها در الکترولیت در حالی که مدل باتری است ، می باشد. رقیق شده سپس تیم تحقیق نتایج آن را با مدلهای ریاضی مقایسه می کند. نتیجه آنها رقمی کاملاً دقیق است که نمایانگر جریان منتقل شده توسط یونها است – که به آن عدد انتقال گفته می شود.

عدد حمل و نقل اساساً مقدار جریانی است که توسط یونهای دارای بار مثبت نسبت به کل جریان الکتریکی حمل می شود و محاسبات تیمی این عدد را تقریباً 2/0 تعیین می کنند. محققان گفتند ، این نتیجه با نتایج دیگر متفاوت است ، زیرا حساسیت این روش جدید برای اندازه گیری حرکت یون است.

طبق گفته مایکل تونی ، استاد دانشگاه کلرادو بولدر و نویسنده مقاله ، ارزش واقعی یک شماره حمل و نقل سالهاست که مورد بحث دانشمندان است. تونی و اشتاینروک هنگام انجام مطالعه کارکنان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC DOE بودند.

تونی گفت: “روش سنتی برای اندازه گیری تعداد حمل و نقل ، تجزیه و تحلیل جریان است.” “اما معلوم نبود چه مقدار از این جریان به دلیل یونهای لیتیوم است و چه مقدار به دلیل چیزهای دیگری است که شما در تجزیه و تحلیل خود نمی خواهید. اصل ساده است ، اما ما باید آن را به طور دقیق اندازه گیری کنیم. مطمئنا اثبات مفهوم بود.”

برای این آزمایش ، تیم تحقیقاتی از یک الکترولیت پلیمر جامد به جای مایعات مایع که برای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود ، استفاده کردند. همانطور که تونی یادداشت می کند ، پلیمرها ایمن تر هستند زیرا از مشکلات اشتعال برخی الکترولیت های مایع جلوگیری می کنند.

Venkat Srinivasan از آرگون ، معاون مدیر JCESR و نویسنده مقاله ، تجربه زیادی در مدل سازی واکنش های باتری دارد ، اما برای اولین بار توانسته است این مدل ها را با داده های زمان واقعی حرکت یونها از طریق الکترولیت مقایسه کند.

وی گفت: “سالها ما مقالاتی راجع به آنچه در باتری می گذشت نوشتیم زیرا نمی توانستیم چیزهای داخل آن را ببینیم.” “من همیشه شوخی کرده ام که هرچه من می گویم باید درست باشد ، زیرا ما نمی توانستیم آن را تأیید کنیم. بنابراین ما دهه ها به دنبال اطلاعاتی از این دست بوده ایم و پیش بینی ها را مانند افرادی مانند من به چالش می کشد.”

در گذشته ، سرینیواسان گفت ، بهترین راه برای مطالعه عملکرد داخلی باتری ها ، ارسال جریان از طریق آنها و سپس تجزیه و تحلیل اتفاقات بعدی است. وی گفت ، توانایی ردیابی حرکت یونها در زمان واقعی ، فرصتی را در اختیار دانشمندان قرار می دهد تا حرکت را برای تأمین نیازهای طراحی باتری تغییر دهند.

وی گفت: “پیش از این باید نقاط را به هم متصل می کردیم و اکنون می توانیم یون ها را مستقیماً شناسایی کنیم.” “هیچ ابهامی وجود ندارد.”

اریک دوفرسن ، فیزیکدان اشعه ایکس در آرگون ، یکی از دانشمندان APS بود که روی این پروژه کار می کرد. نویسنده مقاله ، دوفرسن ، گفت: این آزمایش از انسجام موجود در APS استفاده می کند و به تیم تحقیقاتی اجازه می دهد تا با سرعت فقط نانومتر در ثانیه اثری را که به دنبال آن بودند ، به دست آورد.

وی گفت: “این یک مطالعه بسیار دقیق و پیچیده است.” “این مثال خوبی از ترکیب تکنیک های اشعه X به روش جدید و گام خوبی در جهت توسعه برنامه های آینده است.”

Dufresne و همکارانش همچنین خاطرنشان می کنند که این آزمایشات تنها پس از انجام APS در ارتقا ongoing مداوم حلقه ذخیره الکترون خود ، بهبود می یابد که باعث افزایش روشنایی اشعه ایکس تا 500 برابر می شود.

دوفرسن گفت: “APS Upgrade به ما این امکان را می دهد تا این مطالعات پویا را از بهتر از ثانیه های بالاتر ارتقا دهیم.” “ما می توانیم پرتو را روی اندازه گیری های کوچکتر متمرکز کنیم و از مواد ضخیم تری عبور کنیم. ارتقا به ما فرصت های منحصر به فردی می دهد و ما می توانیم آزمایش های بیشتری از این نوع را انجام دهیم.”

این دیدگاهی است که تیم تحقیق را هیجان زده می کند. اشتاینروک گفت که گام بعدی تجزیه و تحلیل پلیمرهای پیچیده تر و سایر مواد و در نهایت الکترولیت های مایع است. تونی گفت که دوست دارد یونها را از انواع دیگر مواد مانند کلسیم و روی مورد مطالعه قرار دهد.

سرینیواسان گفت ، مطالعه انواع مواد برای هدف نهایی مهم است: باتری هایی که دقیقاً برای استفاده شخصی آنها طراحی شده اند.

وی گفت: اگر می خواهیم باتری هایی با انرژی بالا ، سریع ، ایمن و با دوام بالا ایجاد كنیم ، باید اطلاعات بیشتری در مورد حركت یون ها داشته باشیم. “ما باید درباره آنچه در باتری می گذرد بیشتر بدانیم و از این دانش برای طراحی مواد جدید از پایین به بالا استفاده کنیم.”

###

این کار به عنوان بخشی از مرکز مشترک تحقیقات صرفه جویی در انرژی ، مرکزی برای نوآوری در انرژی که توسط وزارت انرژی ایالات متحده ، بخش علمی علوم پایه انرژی تأمین می شود ، پشتیبانی شد.

بیانیه مطبوعاتی دانشگاه کلرادو را بخوانید.
بیانیه مطبوعاتی Universitat Paderborn (به آلمانی) را بخوانید.

مرکز مشترک مطالعه صرفه جویی در انرژی (JCESR)، مرکز نوآوری انرژی DOE ، مشارکت بزرگی است که محققان بسیاری از رشته ها را برای غلبه بر موانع مهم علمی و فنی و ایجاد یک فناوری جدید برای ذخیره سازی انرژی ادغام می کند. به همت آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده ، شرکا شامل رهبران ملی علوم و مهندسی از دانشگاه ، بخش خصوصی و آزمایشگاه های ملی هستند. تجربه ترکیبی آنها شامل طیف کاملی از خطوط لوله توسعه فناوری از تحقیقات پایه تا نمونه سازی اولیه تا مهندسی محصول تا تحویل در بازار است.

درباره منبع گسترده فوتون ها
منبع انرژی پیشرفته فوتون وزارت انرژی ایالات متحده (APS) در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از سازنده ترین امکانات اشعه ایکس در جهان است. APS اشعه ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان علوم مواد ، شیمی ، فیزیک ماده چگال ، علوم زیست محیطی و تحقیقات و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای بررسی مواد و ساختارهای بیولوژیکی ایده آل است. توزیع عناصر ؛ حالت های شیمیایی ، مغناطیسی ، الکترونیکی ؛ و طیف وسیعی از سیستمهای مهم مهندسی از باتری گرفته تا اسپری های انژکتور سوختی ، که بنیان رفاه اقتصادی ، فناوری و فیزیکی کشور ما هستند. هر ساله ، بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 نشریه در توصیف اکتشافات تأثیرگذار و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی حیاتی تر از کاربران سایر مراکز تحقیقاتی اشعه ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان فناوری APS را ابداع کردند که در قلب پیشرفت منابع شتاب دهنده و نور است. این موارد شامل درج هایی هستند که پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را به ارزش محققان تولید می کنند ، لنزهایی که اشعه ایکس را به چندین نانومتر متمرکز می کنند ، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه های آزمایش را به حداکثر می رسانند و نرم افزار جمع آوری و مدیریت مقدار عظیمی از داده های بدست آمده در نتیجه مطالعه یافته های APS.

این مطالعه با استفاده از منابع Advanced Photon Source ، دفتر علوم DOE ایالات متحده برای استفاده در دفتر علوم DOE از آزمایشگاه ملی آرگون تحت قرارداد № DE-AC02-06CH11357 کار می کند.

آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حل برای فشار دادن مشکلات ملی در علم و فن آوری است. اولین آزمایشگاه ملی این کشور ، آرگون ، تقریباً در همه رشته های علمی تحقیقات پیشرو و اساسی را انجام می دهد. محققان آرگونا با محققان صدها شرکت ، دانشگاه و آژانس های فدرال ، ایالتی و شهرداری از نزدیک همکاری می کنند تا به آنها در حل مشکلات خاص خود ، بهبود رهبری علمی آمریکا و آماده سازی کشور برای آینده بهتر کمک کنند. با کارمندان بیش از 60 کشور ، آرگون توسط UChicago Argonne ، LLC برای گروه علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رفع برخی از مهمترین چالشهای زمان ما تلاش می کند. برای اطلاعات بیشتر به https مراجعه کنید: //انرژی.دولت /علوم پایه.

[ad_2]

منبع: kolah-news.ir