بینش دینامیک اتمی باتری های نوظهور حالت جامد به تسریع تکامل آنها کمک می کند – ScienceDaily

نتایج در 10 نوامبر به صورت آنلاین در مجله ظاهر شد انرژی و علوم محیطی.

به طور کلی، باتری های قابل شارژ با حرکت الکترون ها از طریق سیم های خارجی از یک طرف به سمت دیگر و بالعکس کار می کنند. برای متعادل کردن این انتقال انرژی، اتم‌های دارای بار الکتریکی به نام یون‌ها، مانند یون‌های لیتیوم، از طریق ماده شیمیایی به نام الکترولیت در باتری حرکت می‌کنند. اینکه این یون‌ها چقدر سریع و آسان می‌توانند سفر کنند، نقش کلیدی در سرعت شارژ باتری و میزان انرژی آن در طی یک دوره زمانی دارد.

اولیویه دهلر، دانشیار مهندسی مکانیک و علم مواد در دوک، می‌گوید: «اکثر محققان هنوز تمایل دارند بر روی این موضوع تمرکز کنند که چگونه یک قاب کریستالی الکترولیت جامد می‌تواند به یون‌ها اجازه عبور سریع از یک باتری کاملاً جامد را بدهد. طی چند سال گذشته، میدان شروع به درک این موضوع کرده است که دینامیک مولکولی نحوه پرش اتم ها نیز مهم است.

باتری‌های لیتیوم یونی مدت‌هاست که فناوری غالبی هستند که برای اکثر برنامه‌های تجاری که نیاز به ذخیره انرژی دارند، از ساعت‌های هوشمند کوچک گرفته تا مراکز داده غول‌پیکر استفاده می‌شوند. اگرچه باتری های لیتیوم یونی بسیار موفق هستند، دارای معایبی هستند که فناوری های جدید را برای کاربردهای خاص جذاب تر می کند.

به عنوان مثال، باتری‌های لیتیوم یونی دارای یک الکترولیت مایع در داخل خود هستند که اگرچه در عبور سریع یون‌های لیتیوم بسیار مؤثر است، اما بسیار قابل اشتعال است. با ادامه رشد تصاعدی بازار، نگرانی هایی در مورد امکان استخراج لیتیوم کافی از ذخایر نسبتاً محدود جهانی وجود دارد. و برخی از عناصر خاکی کمیاب مورد استفاده در ساخت آنها – مانند کبالت و منگنز – حتی نادرتر هستند و تنها در چند نقطه در سراسر جهان استخراج می شوند.

بسیاری از محققان بر این باورند که برای تکمیل تقاضای فزاینده برای ذخیره انرژی به فناوری‌های جایگزین نیاز است و یکی از نامزدهای پیشرو باتری‌های یون سدیم است. اگرچه این فناوری به اندازه باتری های لیتیوم یونی آنها پر انرژی یا سریع نیست، اما مزایای بالقوه زیادی دارد. سدیم بسیار ارزانتر و فراوانتر از لیتیوم است. مواد مورد نیاز برای اجزای آنها نیز بسیار رایج تر است. و با جایگزینی الکترولیت مایع با یک ماده الکترولیت جامد، محققان می‌توانند باتری‌های تمام جامد بسازند که نسبت به باتری‌های قابل شارژ کنونی موجود، چگالی انرژی بالاتر، پایدارتر و احتمال اشتعال کمتری دارند.

این مزایا باعث می‌شود که محققان باتری‌های یون سدیم را به عنوان جایگزینی بالقوه برای باتری‌های لیتیوم یونی در برنامه‌هایی که به اندازه گوشی‌های هوشمند نازک یا وسایل نقلیه الکتریکی سبک محدود به فضا و سرعت مورد نیاز نیستند، در نظر بگیرند. به عنوان مثال، مراکز داده بزرگ یا ساختمان های دیگری که به مقادیر زیادی انرژی در مدت زمان طولانی نیاز دارند، کاندیدای خوبی هستند.

دلر گفت: «این به طور کلی یک حوزه تحقیقاتی بسیار فعال است که در آن مردم برای نسل بعدی باتری‌ها رقابت می‌کنند. “با این حال، درک بنیادی به اندازه کافی قوی وجود ندارد که کدام مواد در دمای اتاق خوب کار می کنند یا چرا. ما بینش هایی در مورد دینامیک اتمی ارائه می دهیم که به یک نامزد محبوب اجازه می دهد یون های سدیم خود را سریع و کارآمد منتقل کند.”

ماده مورد آزمایش در این آزمایشات تیوفسفات سدیم، Na بود₃PS₄. محققان قبلا می دانستند که ساختار کریستالی اتم های فسفر و گوگرد یک تونل یک بعدی ایجاد می کند که یون های سدیم می توانند از آن عبور کنند. اما همانطور که دلر توضیح می دهد، هیچ کس به دنبال این نبوده است که ببیند آیا حرکت اتم های همسایه نیز نقش مهمی ایفا می کند.

برای کشف این موضوع، دلر و همکارانش نمونه‌هایی از این ماده را در آزمایشگاه ملی اوک ریج گرفتند. با پرتاب نوترون‌ها از اتم‌ها با سرعت‌های بسیار بالا، محققان مجموعه‌ای از عکس‌های فوری از حرکات دقیق اتم‌ها گرفتند. نتایج نشان داد که واحدهای هرمی فسفر-گوگرد PS4 که تونل‌ها را تشکیل می‌دهند، در جای خود می‌پیچند و می‌چرخند و تقریباً به‌عنوان چرخ‌های پارویی عمل می‌کنند که به حرکت یون‌های سدیم در آنها کمک می‌کنند.

دلر گفت: «این فرآیند قبلاً تئوریزه شده است، اما استدلال ها معمولاً کاریکاتوری هستند. «در اینجا ما نشان می‌دهیم که اتم‌ها واقعاً چه می‌کنند و نشان می‌دهیم که اگرچه حقیقت کمی در این کارتون وجود دارد، اما بسیار پیچیده‌تر نیز هست.

محققان نتایج پراکندگی نوترون را با مدل‌سازی محاسباتی دینامیک اتمی در مرکز ملی محاسبات تحقیقات انرژی تأیید کردند. این تیم از رویکرد یادگیری ماشینی برای گرفتن سطح انرژی پتانسیل که در آن اتم ها ارتعاش و حرکت می کنند، استفاده می کند. از آنجایی که نیازی به محاسبه مجدد نیروهای مکانیکی کوانتومی در هر زمان نیست، این روش محاسبات را با چندین مرتبه بزرگی سرعت می بخشد.

دهلر امیدوار است که نتایج به سرعت بخشیدن به این میدان از Na₃PS₄ و فراتر.

دلر گفت: «اگرچه این ماده به دلیل رسانایی یونی بالا یکی از مواد پیشرو است، اما نسخه کمی متفاوت از آن در حال پیگیری است که به جای فسفر از آنتیموان استفاده می کند. “اما علیرغم سرعتی که میدان در حال حرکت است، بینش ها و ابزارهایی که در این مقاله ارائه می کنیم باید به محققان کمک کند تا تصمیمات بهتری در مورد مسیر بعدی بگیرند.”

این مطالعه توسط وزارت انرژی (DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-06CH11357) و جایزه بنیاد ملی علوم EPSCOR RII Track 4 (№ 2033397) پشتیبانی شد.

منبع تاریخ:

مواد ارائه شده توسط دانشگاه دوک. اصل، نوشته کن کینگری. توجه: محتوا را می توان برای سبک و طول ویرایش کرد.

https://20khababr.ir
https://afkharebartar.ir
https://akhabarebartar.ir
https://andnews.ir
https://avatefepak.ir
https://baranmajale.ir
https://behtaringam.ir
https://daltek.ir
https://elmitarin.ir
https://fardayeashena.ir
https://forbos.ir
https://foxirani.ir
https://gisoon.ir
https://hodhodirani.ir
https://iranisard.ir
https://kahkashani.ir
https://lasttimes.ir
https://lilaki.ir
https://livejame.ir
https://magirani.ir
https://majaleiranian.ir
https://mervina.ir
https://mineralnews.ir
https://modirezard.ir
https://momon.ir
https://moniseh.ir
https://nationaliran.ir
https://netcrafti.ir
https://news-single.ir
https://newsexpress.ir
https://newslife.ir
https://newsspot.ir
https://newsteen.ir
https://nikmag.ir
https://officemag.ir
https://okaziyon.ir
https://one-news.ir
https://pandamag.ir
https://parsroids.ir
https://patris-fun.ir
https://senatornews.ir
https://seratmag.ir
https://sibala.ir
https://sohanian.ir
https://sosokan.ir
https://tazekhabari.ir
https://technoirani.ir
https://timesirani.ir
https://yamorani.ir
https://yandexkhabari.ir
https://abdoosnews.ir
https://zehnenoandinsh.ir
https://abestanews.ir
https://abtinnews.ir
https://akhbarebartaaar.ir
https://akhbaremaaaa.ir
https://akhbareshomaaa.ir
https://akhshijnews.ir
https://atrinnews.ir
https://atroticnews.ir
https://atshnews.ir
https://bashariatemrooz.ir
https://dastesalamatt.ir
https://dostemansalam.ir
https://elementorsite.ir
https://emrooztafahom.ir
https://ensanedirooooooz.ir
https://etelaresankhabar.ir
https://examplenews.ir
https://fardaalefba.ir
https://gisooyekhabar.ir
https://halohekayatha.ir
https://hashtadonoh.ir
https://hekayatfardayeemaaa.ir
https://honarmandkhabar.ir
https://istgaheshomareyek.ir
https://ketabkhoooon.ir
https://kimyagaaaar.ir
https://markazeakhbar.ir
https://masternewss.ir
https://mohamadrezasite.ir
https://morvarideasia.ir
https://mramins.ir
https://naserinews.ir
https://nasermr.ir
https://newsamins.ir
https://newsatropat.ir
https://newscenterals.ir
https://newsmineral.ir
https://newsouls.ir
https://newspishgamannn.ir
https://newssalam.ir
https://newsshans.ir
https://newsworlds.ir
https://parinews.ir
https://patris-music.ir
https://poshtibannews.ir
https://powernewss.ir
https://recordejadid.ir
https://salamnewws.ir
https://23ncfst.ir/
https://amiran-carpet.ir/
https://armanenergytec.ir/
https://blogenews.ir/
https://blogkhoon.ir/
https://bvfars.ir/
https://charsounews.ir/
https://chsnews.ir/
https://dezfil.ir/
https://dmwebmaster.ir/
https://dota2news.ir/
https://erfanhd.ir/
https://etminan110.ir/
https://faratarazkhabar.ir/
https://farsgardi20.ir/
https://footynews.ir/
https://goto98.ir/
https://ilyarkhabar.ir/
https://ir2khabar.ir/
https://iranalmanac.ir/
https://irandaryafest.ir/
https://khabarehaft.ir/
https://khabarontime.ir/
https://lolsms.ir/
https://maadgig.ir/
https://masoudtb.ir/
https://mp3news.ir/
https://music-ha.ir/
https://nakhlestankhabar.ir/
https://newcharge.ir/
https://news-links.ir/
https://news180.ir/
https://pimn.ir/
https://prmf.ir/
https://pvnews.ir/
https://rejawnews.ir/
https://sahab-co.ir/
https://samanbarg.ir/
https://semanews.ir/
https://shirinonews.ir/
https://soheilesonghor.ir/
https://tacity.ir/
https://taktanews.ir/
https://tarabaranmag.ir/
https://telegram-persian.ir/
https://tfcenter.ir/
https://trika.ir/
https://velninews.ir/
https://vidnaz.ir/
https://wajnews.ir/
https://your-news.ir/
https://zangannews.ir/
https://2016downloadnew.ir/
https://paxsolomusic.ir/
https://daryamedia.ir/
https://andikakhabar.ir/
https://seo-pbn.ir/
https://ghezelwich.ir
https://panaztebtabriz.ir
https://shayna-net.ir
https://kanooneslamshahr.ir
https://raynuts.ir
https://honare2.ir
https://itsama.ir
https://flingpet.ir
https://foreverpro.ir
https://fraeesi.ir
https://gkhabar.ir
https://18amlak.ir
https://pooyesh-khabar.ir
https://matsef.ir
https://photo-land.ir
https://tabarestan118.ir
https://disachain.ir
https://chikaapp.ir
https://mahestan18.ir
https://radyaabkala.ir
https://c-civil.ir
https://saeeed.ir
https://copytops.ir
https://modirsearch.ir
https://shz1music.ir
https://m-khosravi.ir
https://iranhayashi.ir
https://iranian-dress.ir
https://gigblog.ir
https://basitcg.ir
https://mashhadhekmat.ir
https://rahetamin.ir
https://radolyamani.ir
https://bnemati.ir
https://face-wood.ir
https://tourvare.ir
https://centertasisat.ir
https://bidarirafsanjan.ir
https://namahaa.ir
https://30pp.ir
https://script-tabadol-link.ir
https://simayesarbedar.ir
https://pakdashtiha.ir
https://rentacars.ir
https://2019movies.ir
https://ekar24.ir
https://saber-ramezani.ir
https://teb-saharsina.ir