การปฏิวัติในเทคโนโลยีมือถือได้รับการสนับสนุนโดยส่วนใหญ่จากความก้าวหน้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จซ้ำได้ ทำให้อุปกรณ์พกพาที่ทรงพลังมากขึ้นพร้อมหน้าจอขนาดใหญ่เป็นพิเศษสามารถทำงานได้นานขึ้น อย่างไรก็ตาม น่าเสียดายที่แบตเตอรี่ยังคงเป็นจุดหนึ่งของความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุด รอบการชาร์จและคายประจุนับพันครั้งทำให้วัสดุภายในเซลล์เสียหาย ท้ายที่สุดแล้ว
ความสามารถ
ของแบตเตอรี่ในการเก็บประจุและจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์จะลดน้อยลง ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด การระบายความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เสียหายหรือเสื่อมสภาพอาจเป็นอันตรายต่อความปลอดภัย ทำให้อุปกรณ์นูน แตก และแม้แต่ระเบิดได้ ในการออกแบบแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นพร้อมอายุ
การใช้งานที่ยาวนานขึ้น นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจำเป็นต้องมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่ทำงานภายในเซลล์ นั่นเป็นเหตุผลที่ และทีมงานของเขาในกลุ่ม ที่ศูนย์วิจัยแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมหาวิทยาลัย ประเทศเยอรมนี ได้พัฒนาเทคนิคการวิเคราะห์ต่างๆ ที่สมบูรณ์แบบ
ไม่ใช่แค่การตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุของส่วนประกอบภายในเซลล์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงปฏิกิริยาเคมีและกลไกต่างๆ ที่ทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เสื่อมลงเมื่อเวลาผ่านไป “ด้วยการวิเคราะห์อย่างครอบคลุม กลุ่มวิจัยของเราได้รับความรู้เชิงลึกที่จำเป็นในการปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
อย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงความปลอดภัยและความยั่งยืนของอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี” ให้ความเห็น
ในการศึกษาวิจัยล่าสุดชิ้นหนึ่ง และเพื่อนร่วมงานของเขาได้คิดค้นกลยุทธ์การทดลองที่ใช้ประโยชน์จากการผสมผสานระหว่างเทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนเพื่อประเมินกระบวนการชราภาพ
ที่ซับซ้อนซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลง “เราต้องการสร้างกลไกปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่” เขากล่าว “นั่นทำให้สามารถออกแบบสารเติมแต่งหรือสารเคลือบที่จะชะลอปฏิกิริยาเหล่านี้ หรือแม้กระทั่งป้องกันไม่ให้เกิดขึ้น”มีความกระตือรือร้นเป็นพิเศษในการประเมิน
ความคงตัว
ทางความร้อนของวัสดุประสานที่ยึดวัสดุที่เป็นแป้งซึ่งโดยทั่วไปใช้สำหรับอิเล็กโทรด “สารยึดเกาะมักถูกละเลยในการศึกษากระบวนการชราภาพ” เขาให้ความเห็น “การวิเคราะห์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่อิเล็กโทรไลต์เนื่องจากเป็นส่วนประกอบที่ไม่เสถียรที่สุด หรือจะดูที่ขั้วบวกและขั้วลบ เราต้องการทราบว่า
สารยึดเกาะทำปฏิกิริยาและสลายตัวอย่างไรที่อุณหภูมิต่างๆ เพื่อทำความเข้าใจระบบแบตเตอรี่ทั้งหมด”
ในการเริ่มต้น นักวิจัยได้ตรวจสอบการสลายตัวของทั้งแอโนดและแคโทดโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก(TGA) จาก ซึ่งให้การตรวจวัดการสูญเสียน้ำหนักอย่างแม่นยำจากตัวอย่าง
ในช่วงอุณหภูมิกว้าง พวกเขาเปรียบเทียบโปรไฟล์ TGA ของอิเล็กโทรดในสถานะดั้งเดิมกับส่วนประกอบเดียวกันหลังจากรอบการชาร์จ-ดิสชาร์จ 2 รอบ และอีกครั้งหลังจาก 100 รอบ และทั้งในสถานะชาร์จและดิสชาร์จ “เราดูที่รอบแรกเนื่องจากจะมีการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ในเบื้องต้น
และปฏิกิริยาต่อเนื่องบางส่วนที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและของแข็ง จากนั้นเราจะวัดโปรไฟล์หลังจากผ่านไป 100 รอบเพื่อตรวจสอบว่าระบบเสถียรหรือไม่” “เรายังทำการวัดทั้งในสถานะที่มีประจุและคายประจุ เนื่องจากการมีลิเธียมอยู่ภายในขั้วบวกสามารถส่งผลต่อปฏิกิริยาบางอย่างได้”
เพื่อวัด
การไหลของความร้อนภายในแคโทด ซึ่งเป็นสัญญาณที่แน่นอนว่าปฏิกิริยาเคมีกำลังเกิดขึ้นภายในวัสดุ ไม่พบจุดสูงสุดของปฏิกิริยาที่แตกต่างกันสำหรับตัวอย่างที่เก่าแก่ หรือสำหรับแคโทดที่สร้างขึ้นใหม่และมีอายุมากขึ้นเมื่ออยู่ในสถานะคายประจุ อย่างไรก็ตาม เมื่อชาร์จแล้ว โปรไฟล์
ของแคโทดทั้งสองแสดงปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรงอย่างชัดเจนที่ประมาณ 270 °C ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปล่อยออกซิเจนจากแคโทดตามที่สังเกตได้ในการวิเคราะห์ TGA ในขณะที่ เป็นเทคนิคที่กำหนดไว้สำหรับการศึกษาพฤติกรรมทางความร้อนของขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ทีมงาน ใช้วิธีการวิเคราะห์อื่น
เพื่อตรวจสอบสารประกอบทางเคมีที่ปล่อยออกมาจากขั้วไฟฟ้าในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง “เรามีไพโรไลเซอร์ที่สามารถให้ความร้อนสูงถึง 1,000 °C และติดเข้ากับเครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบแก๊สโครมาโตกราฟ-แมสสเปกโตรมิเตอร์ (GC-MS)” โนวักอธิบาย “โครมาโตกราฟจะแยกสารประกอบที่ปล่อยออกมา
ออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งสามารถระบุได้ด้วยแมสสเปกโตรมิเตอร์” โปรไฟล์ความร้อนที่ได้จากเทคนิคนี้เรียกว่าแมสสเปกโตรเมทรีสำหรับการวิเคราะห์ก๊าซที่พัฒนาขึ้น แสดงให้เห็นข้อตกลงที่ดีกับโซนการสลายตัวที่สังเกตได้ในโปรไฟล์ เชื่อว่าวิธีการเดียวกันนี้สามารถใช้ในการวิเคราะห์
กระบวนการอื่นๆ ภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ “การทำโปรไฟล์ความร้อนโดยใช้วิธีการวิเคราะห์ที่หลากหลายกลายเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการวิเคราะห์ที่ครอบคลุมทั้งแอโนดและแคโทด” เขาสรุป “ตั้งแต่การกำหนดคุณลักษณะพื้นฐานจนถึงการตรวจสอบอายุของแบตเตอรี่โดยละเอียด
ที่จะทำให้พื้นผิวโลหะทั้งสองด้านของฟิล์มน้ำมันเสียรูปอย่างยืดหยุ่น สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะความหนืดของของเหลวเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อความดันเพิ่มขึ้น วาล์วและแหวนลูกสูบทำงานในบริเวณนี้เป็นครั้งคราว น้ำมันหล่อลื่นยังใช้กับส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ ในรถยนต์ รวมทั้งกระปุกเกียร์ด้วย
นี่เป็นสภาพแวดล้อมที่ท้าทายซึ่งแรงดันมักจะเกิน 10 9 Pa เป็นประจำ และเกียร์จะทำงานในระบบการหล่อลื่นแบบอิลาสโตไฮโดรไดนามิก ยิ่งไปกว่านั้น ในรถยนต์หลายคัน น้ำมันเกียร์จะถูกเติมเพียงครั้งเดียวและไม่เคยเปลี่ยนเลยตลอดอายุการใช้งานของรถยนต์ ถึงกระนั้นก็ตาม นักวิจัยที่ สหราชอาณาจักร กำลังพัฒนาระบบส่งกำลังแบบใหม่ที่เป็นกระปุกเกียร์ที่มีประสิทธิภาพด้วย
