خرابی باتریها میتواند در کسری از ثانیه به یک فاجعه تبدیل شود. گرما به سرعت جمع میشود، مواد شیمیایی تجزیه میشوند و گازهای قابل اشتعال در یک واکنش زنجیرهای به نام فرار حرارتی مشتعل میگردند. چنین رویدادهایی هرچند نادر هستند، اما میتوانند خسارات جبرانناپذیری به بار آورند. با این حال، پژوهشگران وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی راکیز (NLR) با رویکردی جامع و نوآورانه به دنبال پیشگیری از این حوادث از همان ابتدای چرخه حیات باتری هستند.
رویکرد «از گهواره تا بحران» چیست؟
پیشگیری از خرابی باتری نیازمند درک خطرات در تمام مراحل عمر آن است. پژوهشگران NLR با استفاده از تکنیکهای تحلیلی پیشرفته و دادههای واقعی، در همکاری نزدیک با کارشناسان صنعت، بینشهای منحصربهفردی را در مورد ایمنی باتری ارائه میدهند. این بینشها شیمیهای نوظهور، طراحیهای جدید، عملکرد میدانی و حتی واکنش در شرایط اضطراری را پوشش میدهند.
تعیین استاندارد ایمنی باتری
چارچوب ارزیابی ایمنی دقیق NLR با بررسی مواد اولیه تشکیلدهنده باتری آغاز میشود. محققان خواص ریزساختاری، حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و الکتروشیمیایی را مشخص میکنند که تعیین میکنند باتری چگونه عمل میکند و با چه ایمنی کار میکند. این اندازهگیریها یک پایگاه داده جدید و دسترسی آزاد به نام «پایگاه داده ایمنی باتری» را پر میکنند که ویژگیهای کلیدی ایمنی را در انواع مختلف باتری توصیف میکند. NLR این پایگاه داده را با همکاری دانشگاه تگزاس در آستین و شرکت Exponent Inc. و با پشتیبانی آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته انرژی (ARPA-E) توسعه داده است.
محققان همچنین با انجام آزمایشهای کنترلشده مانند نفوذ میخ، تنش حرارتی و اتصال کوتاه داخلی، باتریها را به سمت خرابی سوق میدهند تا واکنش مواد را زیر نظر بگیرند. این آزمایشها به شناسایی علل ریشهای خرابی کمک میکنند. متیو کیسر، مهندس ارشد ذخیرهسازی انرژی و مدیر NLR، میگوید: «تحقیقات ما با هدف شناسایی علت اصلی خرابی باتری است. این بینش عمیقتر به ما اجازه میدهد سیستمهای ایمنتر و قابلاعتمادتری طراحی کنیم، به جای اینکه پس از ورود باتریها به بازار به مسائل بپردازیم.»
ارتباط مقیاسهای مختلف: از اتم تا سلول
این کار بر اساس تحقیقات چندمقیاسی است که رفتارهای باتری را در مقیاسهای طولی به هم متصل میکند: نقصهای ساختاری در سطح اتمی که بر ولتاژ و ظرفیت تأثیر میگذارند، ترکخوردگی یا انبساط در مقیاس ذره ناشی از تنش مکانیکی، ترکیب الکترود و انتقال یون لیتیوم، و مدیریت حرارتی در طراحی سلول. با پیوند این مقیاسها، محققان میتوانند علل خرابی را شناسایی کنند، نه فقط پیامدهای آن را مشاهده نمایند.
دونال فاینگن، دانشمند ارشد ذخیرهسازی انرژی در NLR، تأکید میکند: «هرچه بهتر خطرات را درک کنیم، میتوانیم سیستمهای باتری آینده را ایمنتر طراحی کنیم. تغییرات ظریف در ترکیب مواد داخل باتری میتوانند بر سینتیک واکنش تأثیر بگذارند و منجر به سناریوهای خرابی خطرناکتری شوند.» بخشی از این یافتهها اخیراً در یک مقاله دیدگاهی در مجله Nature منتشر شده است.
دادههای تجربی و قدرت هوش مصنوعی
NLR مجهز به پیشرفتهترین تکنیکهای تصویربرداری از جمله یک اسکنر توموگرافی کامپیوتری نانو منحصربهفرد است که به دانشمندان اجازه میدهد باتریها را در حین کار و خرابی در زمان واقعی نظارت کنند. این تصویربرداری با تجزیه و تحلیل دادهها و مدلهای هوش مصنوعی مبتنی بر فیزیک تکمیل میشود که دادههای تجربی را جذب میکنند. نمونهای از این رویکرد در Nature Communications منتشر شده است، جایی که تیم با استفاده از یادگیری ماشین، پیشبینیپذیری رفتارهای سلول مانند فرار حرارتی را نشان داد.
نقش منحصربهفرد NLR در نوآوری باتری
به عنوان یک آزمایشگاه فدرال، NLR ارزیابیهای عینی از طراحیهای جدید باتری انجام میدهد. دادههای پروژههای غیراختصاصی به صورت عمومی منتشر میشوند تا نوآوران و تولیدکنندگان بتوانند از آنها بهره ببرند. این رویکرد شفاف باعث میشود که صنعت باتری با سرعت بیشتری به سمت محصولات ایمنتر و کارآمدتر حرکت کند.
در نهایت، رویکرد «از گهواره تا بحران» NLR نشان میدهد که برای جلوگیری از حوادث ناگوار، باید از همان لحظه انتخاب مواد اولیه تا طراحی نهایی و حتی واکنش به بحرانها، نگاه جامعی به ایمنی داشت. این روش نه تنها عملکرد باتریها را بهبود میبخشد، بلکه اعتماد مصرفکنندگان را نیز جلب میکند.
