มันไม่ได้มาเร็ว อาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการสังเกต คุณมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน AA ที่ชาร์จใหม่ในน้ำพุคิตตี้ไร้สาย และแบตเตอรี่อยู่ได้สองวัน พวกเขากินเวลาหนึ่งสัปดาห์หรือมากกว่านั้น ชาร์จอีกรอบและใช้งานได้หนึ่งวัน ไม่นานก็ไม่มีอะไร คุณจะได้รับการอภัยหากคุณยืนอยู่ที่นั่นและตั้งคำถามกับการกระทำของคุณเอง “เดี๋ยวก่อน ฉัน เติมพลังพวกนี้หรือเปล่า” ผ่อนคลาย มันไม่ใช่คุณ มันคือแบตเตอรี่ ไม่มีอะไรคงอยู่ตลอดไป ไม่เว้นแม้แต่แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน
ไม่ว่าจะเป็น AA หรือ AAA ที่ซื้อในร้านค้า
หรือแบตเตอรี่ที่อยู่ในโทรศัพท์มือถือ หูฟังไร้สาย หรือรถยนต์ของเรา แบตเตอรี่เสื่อมFeng Lin รองศาสตราจารย์ภาควิชาเคมีซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ เวอร์จิเนีย เทค เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาระดับนานาชาติฉบับใหม่จากหลายหน่วยงาน/มหาวิทยาลัยที่เผยแพร่ในวารสารScienceซึ่งจะนำเสนอมุมมองใหม่เบื้องหลังปัจจัยที่ขับเคลื่อนแบตเตอรี่ อายุการใช้งานและปัจจัยต่างๆ เหล่านั้นเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปในสภาวะการชาร์จเร็ว ในช่วงต้น การศึกษาพบว่า การสลายตัวของแบตเตอรี่ดูเหมือนจะเกิดจากคุณสมบัติของอนุภาคอิเล็กโทรดแต่ละอนุภาค แต่หลังจากการชาร์จหลายสิบรอบ อนุภาคเหล่านั้นมารวมกัน ต่างหาก ที่สำคัญกว่า “การศึกษานี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงวิธีที่เราสามารถออกแบบและผลิตขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพื่อให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน” Lin กล่าว ห้องปฏิบัติการของเขากำลังทำงานเพื่อออกแบบอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ใหม่โดยมีเป้าหมายในการสร้างสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดที่ให้ความสามารถในการชาร์จอย่างรวดเร็วและยืดอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นด้วยต้นทุนเพียงเศษเสี้ยวของราคาในปัจจุบัน และยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
“เมื่อสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดช่วยให้แต่ละอนุภาคตอบสนองต่อสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว เราก็จะมีกล่องเครื่องมือที่ดีในการชาร์จแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว เรารู้สึกตื่นเต้นที่ได้นำความเข้าใจนี้ไปใช้กับแบตเตอรี่รุ่นต่อไปที่มีต้นทุนต่ำและชาร์จเร็วได้” Lin กล่าวการศึกษาซึ่ง Lin เป็นผู้เขียนร่วมอาวุโส ร่วมมือกับ SLAC National Accelerator Laboratory ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ร่วมกับ Purdue University และ European Synchrotron Radiation Facility นักวิจัยหลังปริญญาเอกของห้องปฏิบัติการ Lin Zhengrui Xu และ Dong Hou ยังเป็นผู้ร่วมเขียนบทความ เป็นผู้นำในการผลิตอิเล็กโทรด การผลิตแบตเตอรี่ และการวัดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ตลอดจนช่วยเหลือในการทดลองเอ็กซ์เรย์และการวิเคราะห์ข้อมูล
Yijin Liu นักวิทยาศาสตร์ SLAC นักวิจัยจาก
Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) และผู้เขียนอาวุโสกล่าวว่า “หน่วยการสร้างพื้นฐานคืออนุภาคเหล่านี้ที่ประกอบกันเป็นขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ แต่เมื่อคุณซูมออก อนุภาคเหล่านี้จะโต้ตอบกันเอง” บนกระดาษ ดังนั้น “ถ้าคุณต้องการสร้างแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น คุณต้องดูวิธีการรวมอนุภาคเข้าด้วยกัน”ส่วนหนึ่งของการศึกษา Lin, Liu และเพื่อนร่วมงานคนอื่นๆ ใช้เทคนิคการมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาว่าอนุภาคแต่ละชิ้นที่ประกอบเป็นขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้จะแตกออกจากกันอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป เป้าหมายในครั้งนี้คือเพื่อศึกษาไม่เพียงแค่อนุภาคเดี่ยวๆ เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีที่พวกมันทำงานร่วมกัน เพื่อยืดอายุหรือลดอายุแบตเตอรี่อีกด้วย เป้าหมายสุดท้ายโดยธรรมชาติ: เรียนรู้วิธีใหม่ๆ ในการยืดอายุแบตเตอรี่ออกจากการออกแบบแบตเตอรี่ ในส่วนหนึ่งของการวิจัย ทีมงานได้ศึกษาแคโทดของแบตเตอรี่ด้วยรังสีเอกซ์ พวกเขาใช้เอกซเรย์เอกซเรย์เพื่อสร้างภาพ 3 มิติของแคโทดของแบตเตอรี่ขึ้นใหม่หลังจากผ่านวงจรการชาร์จที่ต่างกัน จากนั้นพวกเขาก็ตัดภาพ 3 มิติเหล่านั้นออกเป็นชุดของชิ้นส่วน 2 มิติและใช้วิธีการมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อระบุอนุภาค นอกจาก Lin และ Liu แล้ว การศึกษายังรวมถึง Jizhou Li ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอก SSRL; Keije Zhao ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ Purdue; และ Nikhil Sharma นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Purdue
ในท้ายที่สุด นักวิจัยสามารถระบุอนุภาคแต่ละอนุภาคได้มากกว่า 2,000 ชิ้น ซึ่งพวกเขาไม่ได้คำนวณเฉพาะคุณลักษณะของอนุภาคแต่ละชนิด เช่น ขนาด รูปร่าง และความหยาบของพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลักษณะต่างๆ เช่น ความถี่ที่อนุภาคสัมผัสกันโดยตรง และความแตกต่างของอนุภาค รูปร่างเป็น
จากนั้น พวกเขาพิจารณาว่าคุณสมบัติแต่ละอย่างมีส่วนทำให้เกิดการแตกตัวของอนุภาคอย่างไร และรูปแบบที่โดดเด่นก็ปรากฏขึ้น หลังจากรอบการชาร์จ 10 รอบ ปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดคือคุณสมบัติของอนุภาคแต่ละตัว รวมถึงลักษณะทรงกลมของอนุภาคและอัตราส่วนของปริมาตรอนุภาคต่อพื้นที่ผิว อย่างไรก็ตาม หลังจากผ่านไป 50 รอบ คุณลักษณะแบบคู่และแบบกลุ่ม เช่น ระยะห่างของอนุภาคสองอนุภาค รูปร่างต่างๆ ของพวกมันต่างกันอย่างไร และอนุภาครูปทรงลูกฟุตบอลที่ยาวกว่านั้นมีการเรียงตัวในทำนองเดียวกันหรือไม่ ทำให้เกิดการสลายตัวของอนุภาค
“มันไม่ใช่แค่ตัวอนุภาคอีกต่อไป ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคกับอนุภาคมีความสำคัญ” หลิวกล่าว “นั่นเป็นสิ่งสำคัญเพราะมันหมายความว่าผู้ผลิตสามารถพัฒนาเทคนิคเพื่อควบคุมคุณสมบัติดังกล่าวได้ ตัวอย่างเช่น พวกเขาอาจสามารถใช้สนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าเพื่อจัดอนุภาคที่ยาวให้ชิดกัน ซึ่งผลลัพธ์ใหม่นี้บ่งชี้ว่าจะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น”สมาชิกของ Macromolecules Innovation Institute ที่ Virginia Tech และคณาจารย์ในสังกัดของDepartment of Materials Science and Engineering ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ Virginia Tech Lin กล่าวเสริมว่า “เราได้ตรวจสอบอย่างหนักเกี่ยวกับวิธีการนำแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามาใช้ ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในสภาพการชาร์จที่รวดเร็วและอุณหภูมิต่ำ “นอกเหนือจากการออกแบบวัสดุใหม่ที่สามารถลดต้นทุนของแบตเตอรี่โดยใช้วัตถุดิบที่ถูกกว่าและอุดมสมบูรณ์มากขึ้น ห้องปฏิบัติการของเรายังทำงานเพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของแบตเตอรี่ที่ห่างไกลจากความสมดุล” Lin กล่าว “เราได้เริ่มศึกษาวัสดุแบตเตอรี่และการตอบสนองต่อสิ่งเหล่านี้ เงื่อนไขที่รุนแรง”
Zhao ศาสตราจารย์ Purdue และผู้เขียนร่วมอาวุโส เปรียบเทียบปัญหาความเสื่อมโทรมกับคนที่ทำงานเป็นกลุ่ม “อนุภาคของแบตเตอรี่ก็เหมือนกับคน เราทุกคนต่างเริ่มต้นไปตามทางของตัวเอง” Zhao กล่าว “แต่สุดท้ายแล้วเราเจอคนอื่น สุดท้ายก็ไปกันเป็นกลุ่ม ไปในทิศทางเดียวกัน เพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพสูงสุด เราจำเป็นต้องศึกษาทั้งพฤติกรรมส่วนบุคคลของอนุภาคและพฤติกรรมของอนุภาคเหล่านั้นในกลุ่ม”การวิจัยได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ โครงการวิจัยและพัฒนาของ SLAC National Accelerator Laboratory และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ SSRL เป็นสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้สำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงาน การอ้างอิง: Jizhou Li et al., Science , date (DOI). บทความนี้ใช้เนื้อหาที่มาจาก Nathan Collins เจ้าหน้าที่สื่อสารวิทยาศาสตร์ของ SLAC National Accelerator Laboratory
credit : fpcbergencounty.com viagrapreiseapotheke.net houseleoretilus.org thenevadasearch.com olivierdescosse.net seoservicesgroup.net prosperitymelandria.com pennsylvaniachatroom.net theweddingpartystudio.com kakousen.net
