Mikrostrukturların simulyasiyaları elastik deformasiyanın natrium-ion batareyalarında katod kimi istifadə olunan laylı oksidlərin yüklənmə xüsusiyyətlərinə əhəmiyyətli təsirini nümayiş etdirir.

Tədqiqatlar yeni akkumulyator materiallarının məhsuldarlığının, uzunömürlülüyünün və qiymətlərinin artırılmasına yönəlib. Litium və kobalt kimi nadir və zəhərli elementlərin istifadəsini azaltmaq üçün də səylər göstərilir. Bu kontekstdə natrium-ion batareyaları perspektivli bir alternativ olaraq ortaya çıxır. Onlar litium-ion batareyalarına oxşar prinsiplər əsasında işləyirlər, lakin Avropada asanlıqla əldə oluna bilən xammaldan hazırlanırlar.

Və onlar həm stasionar, həm də mobil proqramlar üçün uyğundur. “Natrium-nikel-manqan oksidləri kimi laylı oksidlər yüksək perspektivli katod materiallarıdır” deyir KIT-in Tətbiqi Materiallar – Mikrostruktur Modelləşdirmə və Simulyasiya İnstitutunun (IAM-MMS) Qrup Rəhbəri Dr. Simon Daubner təhsil. POLiS (Post Lithium Storage deməkdir) Mükəmməllik Klasterində o, natrium-ion texnologiyasını araşdırır.

Sürətli Doldurma Mexanik Stress yaradır

Bununla belə, bu tip katod materiallarında problem var. Natrium-nikel-manqan oksidləri natriumun nə qədər saxlanmasından asılı olaraq kristal quruluşunu dəyişir. Material yavaş-yavaş yüklənirsə, hər şey düzgün qaydada davam edir. Daubner izah edir: “Natrium materialı qat-qat tərk edir, necə ki, avtomobillər dayanacaqdan hekayəyə ayrılır”. “Ancaq şarj sürətli olduqda, natrium hər tərəfdən çıxarılır.” Bu, materialı qalıcı şəkildə zədələyə biləcək mexaniki gərginliklə nəticələnir.

Vürtemberq Günəş Enerjisi və Hidrogen Tədqiqatları Mərkəzinin (ZSW) alimləri ilə birlikdə vəziyyəti aydınlaşdırmaq üçün bu yaxınlarda simulyasiyalar apardılar. Onlar Nature portfelinin jurnalı olan npj Computational Materials -da hesabat verirlər .

Təcrübələr Simulyasiya Nəticələrini Təsdiq edir

Daubner deyir: “Kompüter modelləri elektrod materiallarında atomların düzülüşündən tutmuş mikrostrukturuna və istənilən batareyanın funksional vahidi kimi hüceyrəyə qədər müxtəlif uzunluq ölçülərini təsvir edə bilər”.

NaXNi1/3Mn2/3O2 laylı oksidi öyrənmək üçün mikrostrukturlu modellər yavaş yükləmə və boşalma təcrübələri ilə birləşdirildi. Materialın tutum itkisinə səbəb olan bir neçə deqradasiya mexanizminə malik olduğu aşkar edilmişdir. Bu səbəbdən, hələ kommersiya tətbiqləri üçün uyğun deyil.

Kristal strukturun dəyişməsi elastik deformasiya ilə nəticələnir. Kristal kiçilir, bu da çatlamağa və tutumun azalmasına səbəb ola bilər. INT və IAM-MMS simulyasiyaları göstərir ki, bu mexaniki təsir materialın doldurulması üçün lazım olan vaxtı qəti şəkildə müəyyən edir. ZSW-də aparılan eksperimental tədqiqatlar bu nəticələri təsdiqləyir.

Tədqiqatın nəticələri qismən digər laylı oksidlərə ötürülə bilər. “İndi biz əsas prosesləri başa düşürük və uzunömürlü və mümkün qədər tez doldurula bilən akkumulyator materiallarının inkişafı üzərində işləyə bilərik” deyə Daubner yekunlaşdırır. Bu, beş-on ildən sonra natrium-ion batareyalarının geniş istifadəsinə səbəb ola bilər.