در علم، فهرست بلندبالایی از چیزهایی وجود دارد که هنوز دقیقاً نمیدانیم چگونه کار میکنند، اما چون مؤثرند، از آنها استفاده میکنیم. یکی از این موارد باتریهای لیتیوم-یونی است که منبع انرژی خودروهای برقی و بسیاری از دستگاههای الکترونیکی قابل حمل محسوب میشود. دانشمندان سالها میدانستند این باتریها چگونه عمل میکنند، اما از جزئیات دقیق سازوکار آنها مطمئن نبودند.
دانشمندان MIT اخیراً پاسخی برای این معما یافتهاند. در مقالهای که دوم اکتبر در نشریه Science منتشر شد، پژوهشگران مدلی را معرفی کردهاند که نشان میدهد فرآیند «انتقال همزمان یون و الکترون» (CIET) میتواند دلیل عملکرد باتریهای لیتیوم-یونی باشد. در این فرآیند، یک الکترون همراه با یون لیتیوم به سمت الکترود حرکت میکند. این کشف میتواند طراحی باتریهایی با قدرت بیشتر و سرعت شارژ بالاتر را ممکن سازد.
باتریهای لیتیوم-یونی از مکانیزمی شیمیایی به نام «درج یون» یا intercalation استفاده میکنند. هنگام تخلیه باتری، یونهای لیتیوم حلشده در محلول الکترولیت وارد ساختار جامد الکترود میشوند. در زمان شارژ، این یونها از الکترود خارج شده و به الکترولیت بازمیگردند. سرعت درج یونها تعیینکننده توان نهایی و سرعت شارژ باتری است، و به همین دلیل درک دقیق این فرآیند برای دانشمندان اهمیت دارد.
پیشتر تصور میشد که درج یونها صرفاً به سرعت انتشار آنها بین الکترولیت و الکترود بستگی دارد، اما دادههای تجربی با این مدل همخوانی نداشتند. در مطالعه جدید، پژوهشگران بیش از ۵۰ ترکیب مختلف از الکترولیت و الکترود را آزمایش کردند و باز هم با تناقضهایی مواجه شدند. در نهایت، مدلی را پیشنهاد دادند که بر اساس آن، یون لیتیوم تنها زمانی میتواند وارد الکترود شود که همراه با یک الکترون حرکت کند. این جفتشدن الکتروشیمیایی درج یون را تسهیل میکند و محاسبات ریاضی مربوط به آن با دادههای تجربی همخوانی دارد.
مارتین بازانت، ریاضیدان و یکی از نویسندگان مقاله، گفته مرحله اصلی الکتروشیمیایی درج لیتیوم نیست، بلکه انتقال الکترون برای کاهش ماده جامدی است که میزبان لیتیوم است. به گفته او، درج لیتیوم و انتقال الکترون همزمان انجام میشوند و یکدیگر را تسهیل میکنند.
پژوهشگران همچنین بهطور تصادفی دریافتند که تغییر ترکیب الکترولیتها بر نرخ درج یونها تأثیر میگذارد. تحقیقات بعدی میتواند راههایی برای ساخت باتریهای قویتر و سریعتر آشکار کند.
بازانت گفته هدف آنها از این پژوهش، دستیابی به واکنشهایی سریعتر و قابلکنترلتر است که میتواند فرآیند شارژ و تخلیه را تسریع کند.
