شبیه سازی نفوذ لیتیوم در کاتد LFP
کاتد لیتیوم آهن فسفات (LFP) یکی از پرکاربرد ترین کاتدها در صنایع باتری سازی است. چرا که به دلیل مهیا کردن ولتاژ ثابت در هنگام دشارژ، اهمیت فوق العاده‌ای پیدا کرده است. اما ممکن است که این کاتد در جریان های بالا مشکل‌زا شود.
به تازگی دانشمندان چینی با شبیه‌سازی‌های جدید نشان دادند که با قرار گرفتن نقص‌های (Anti-sites) زیاد داخل کاتد، استرس بیش از حد در کاتد لیتیوم آهن فسفات (LFP) به وجود خواهد آمد و موجب خواهد شد تا ترک‌هایی در لایه‌های الکترود ایجاد شده و به سرعت عملکرد باتری‌ها تضعیف شود.
این نقص‌ها (Anti-sites) با قرار گرفتن درون ماده‌ی فعال، به دلیل حرکت راحت‌تر یون‌های لیتیوم، جریان باتری را تا دو برابر بهبود می‌دهند. اما در صورت افزایش این نقص‌ها، در جریان‌های بالا، امکان کاهش عمر کاتد وجود خواهد داشت.
دانش نامه : در علم مواد “anti-site” به نوع خاصی از نقص کریستالوگرافی اشاره دارد. این نقص زمانی اتفاق می‌افتد که یک اتم در جایگاه اشتباهی در شبکه کریستالی قرار می‌گیرد و در واقع جای خود را با اتم دیگری عوض می‌کند. این اتفاق می‌تواند اثرات مختلفی بر خواص مواد داشته باشد.
منطقه غنی و فقیر لیتیوم ها
تصور متعارف در مورد کاتدهای دو فازه مانند کاتد LFP، این است که لیتیوم بطور یکنواخت در داخل کاتد حرکت می‌کند تا کل ماده را تسخیر کند. امـــــا تصاویر اشعه ایکس چیز دیگری را نشان داد !!! این تصاویر یک مرز بین دو منطقه‌ی غنی از لیتیوم (lithium-rich) و خالی از لیتیوم (lithium-poor) مشخص کردند که بسیار در عدم یکنواخت نفوذ لیتیوم نقش دارد.
ریشه‌ی این مشکل در این است که استرس و فشار غیر یکنواخت در ابتدای نفوذ لیتیوم باعث حبابی شدن مرز اولیه می‌گردد و این تغییر شکل مرز باعث افزایش سطح استرس و شکل‌گیری ترک می‌شود.
مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که این ناپایداری را می‌توان با ایجاد یک نوع نقص به نام anti-sites در ترکیب لیتیوم آهن فسفات افزایش داد که در آن اتم‌های آهن جای اتم‌های لیتیوم را در بلور اشغال می‌کنند.
علی رغم ایجاد ناپایداری، نقص‌های Anti-sites می‌تواند چیز مفیدی برای الکترود LFP باشد، زیرا آن‌ها سینتیک بین لایه‌ای را تسریع می‌کنند. امــــا با افزایش این نقص‌ها درون مواد فعال، یون‌های لیتیوم ترغیب خواهند شد تا مسیر غیر یکنواختی را طی کنند . با هدف اینکه در کل ماده نفوذ اتفاق بیوفتد. برای پی بردن به چگالی مناسب این نقص‌ها باید آزمایش‌های زیادی انجام شود تا بهینه ترین حالت به دست آید. فیلم زیر که حاصل شبیه سازی این تیم تحقیقاتی است، بسیار دقیق این مشکل را نشان می‌دهد.
تاریخ انتشار: اکتبر 2019
ویراستار: حسین جعفری پور
