بلاگ نوین ریپورت

مقدمه

مواد هوشمند که مواد فعال یا پاسخگو نیز نامیده می‌شوند، مواد طراحی‌شده‌ای هستند که دارای یک یا چند ویژگی هستند که می‌توانند به‌طور قابل توجهی توسط محرک‌های خارجی، مانند تنش، رطوبت، میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی، نور، دما یا pH به‌طور قابل‌توجهی تغییر کنند. مواد هوشمند اساس بسیاری از کاربردها، از جمله حسگرها و محرک‌ها، یا ماهیچه‌های مصنوعی، به ویژه به عنوان پلیمرهای الکترواکتیو (EAPs) هستند. انواع مختلفی از مواد هوشمند کشف شده‌اند که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند:

مواد پیزوالکتریک: موادی هستند که هنگام اعمال تنش، ولتاژ تولید می‌کنند. از آنجایی که این اثر به صورت معکوس نیز اعمال می‌شود، یک ولتاژ در سراسر نمونه باعث ایجاد تنش در نمونه می‌شود. بنابراین، سازه‌هایی با طراحی مناسب ساخته شده از این مواد می‌توانند ساخته شوند که در هنگام اعمال ولتاژ خم، منبسط یا منقبض شوند.

آلیاژهای حافظه‌دار و پلیمرهای حافظه‌دار موادی هستند که می‌توان در آن‌ها تغییر شکل بزرگی را از طریق تغییرات دما یا تغییرات تنش (شبه الاستیسیته) القا و بازیابی کرد. اثر حافظه شکل به ترتیب به دلیل تغییر فاز مارتنزیتی و الاستیسیته القا شده در دماهای بالاتر است.

مواد حساس به نور: مواد فتوولتائیک یا اپتوالکترونیک، نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند.

پلیمرهای فعال الکتریکی: مواد الکترواکتیوی (EAPs) هستند که حجم خود را با ولتاژ یا میدان های الکتریکی تغییر می‌دهند.

مواد مغناطوکشسانی: این مواد تحت تأثیر میدان مغناطیسی تغییر شکل می‌دهند و همچنین تحت تأثیر تنش مکانیکی تغییری در مغناطش خود نشان می‌دهند.

آلیاژهای حافظه‌دار مغناطیسی: موادی هستند که در پاسخ به تغییر قابل توجه میدان مغناطیسی شکل خود را تغییر می‌دهند.

پلیمرهای معدنی هوشمند: این مواد خواص تنظیم پذیر و پاسخگو را از خود نشان می‌دهند.

پلیمرهای حساس به pH : موادی هستند که با تغییر pH محیط اطراف، حجم آنها تغییر می‌کند.

پلیمرهای پاسخگو به دما : موادی هستند که بر اساس دما دچار تغییرات می‌شوند.

مواد هالوکرومیک: معمولاً موادی هستند که در اثر تغییر اسیدیته رنگ خود را تغییر می‌دهند. یکی از کاربردهای پیشنهادی برای رنگ‌هایی است که می‌توانند تغییر رنگ دهند تا نشان دهنده خوردگی فلز زیر آن‌ها باشد.

سیستم‌های کروموژنیک: این مواد در پاسخ به تغییرات الکتریکی، نوری یا حرارتی تغییر رنگ می‌دهند که شامل مواد الکتروکرومیک هستند بدین معنی که با اعمال ولتاژ، رنگ یا کدورت خود را تغییر می‌دهند (مانند نمایشگرهای کریستال مایع)، مواد ترموکرومیک بسته به دمایشان تغییر رنگ می‌دهند، و مواد فتوکرومیک که در پاسخ به نور تغییر رنگ می‌دهند. به‌عنوان کاربرد می‌توان به عینک آفتابی حساس به نور اشاره کرد که در معرض نور شدید خورشید تیره می‌شود.

فروسیال‌ها: سیالات مغناطیسی هستند که تحت تأثیر آهنرباها و میدان های مغناطیسی، دینامیک سیستم تغییر می‌کند.

مواد فوتومکانیکی: این مواد در معرض نور تغییر شکل می‌دهند.

مواد خود ترمیم شونده: این مواد دارای توانایی ذاتی برای ترمیم آسیب ناشی از استفاده معمولی هستند و در نتیجه طول عمر مواد را افزایش می‌دهند.

الاستومرهای دی الکتریک (DEs) : سیستم‌های مواد هوشمندی هستند که کرنش‌‌های بزرگ (تا 500٪) را تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی تولید می‌کنند.

مواد گرمامغناطیسی: ترکیباتی هستند که با قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، دچار یک تغییر برگشت‌پذیر دمایی می‌شوند. از این مواد برای ساخت یخچال‌های مغناطیسی استفاده می‌شود.

پوشش‌های هوشمند خود ترمیم شونده: این مواد بدون دخالت انسان بهبود می‌یابند.

ترموالکتریک: از مواد ترموالکتریک برای ساخت وسایلی استفاده می‌شود که اختلاف دما را به الکتریسیته و بالعکس تبدیل می‌کنند.

مواد حساس شیمیایی: این مواد تحت تأثیر ترکیبات شیمیایی یا بیولوژیکی خارجی، اندازه یا حجم را تغییر می‌دهند.

در این تعریف، مواد هوشمند دارای خواصی هستند که به تغییرات محیطی خود واکنش نشان می‌دهند. این بدان معنی است که یکی از خواص آنها می‌تواند توسط یک شرایط خارجی مانند دما، نور، فشار، الکتریسیته، ولتاژ، pH یا ترکیبات شیمیایی تغییر کند. این تغییر برگشت‌پذیر است و می‌تواند چندین بار تکرار شود. طیف گسترده‌ای از مواد هوشمند مختلف برای کاربردهای متفاوت وجود دارد که هر کدام ویژگی‌های متفاوتی را ارائه می‌دهند که می‌توان آنها را تغییر داد.

2) اصلاح سطحی

پیشرفت مداوم برای بهبود تقویم و عمر چرخشی الکترودها در باتری‌های لیتیوم یونی بدون مسائل ایمنی با عملیات سطحی ذرات الکترود حاصل می‌شود. ساخت مواد هوشمند با پوشش ذرات با تک لایه نازک که از ناحیه اصلی در برابر واکنش‌های جانبی با الکترولیت محافظت می‌کند، یعنی تشکیل فاز میانی الکترولیت جامد (SEI)، از اتلاف اکسیژن و انحلال یون‌های فلزی در الکترولیت، یا به سادگی رسانایی پودر را بهبود می‌بخشد. استفاده از اکسیدهای فلزات انتقالی لیتیوم مانند NMC، پایداری ضعیفی را در چرخه نشان می‌دهند که به دلیل تشکیل SEI در ولتاژ قطع بالا و مشکلات حرارتی در نرخ بالا، محدود است. با این وجود، می‌توان با ساخت یک ماده هوشمند با تیمار سطحی ویژه (پوشش) که هدف آن محافظت از ذرات در برابر الکترولیت است، به پیشرفت‌هایی دست یافت. مواد مختلف، اکسیدها و فسفات‌های مبتنی بر Al، یعنی Al2O3، AlPO4 و همچنین ZrO2 به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. در میان آنها، ZrO2 از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است زیرا پتانسیل زتا منفی، سطح پایه و پیوند قوی را نشان می‌دهد که برای به دام انداختن HF (در الکترولیت‌های کربنات آلی LiPF6 تشکیل می‌شود) و حفظ پایداری شیمیایی، مفید است. پوشش زیرکونیایی با ضخامت 2.5 نانومتر برای کاهش افت ظرفیت برگشت ناپذیر ذرات NMC در طول چرخه با پتانسیل بالا کارآمد است. مقایسه بین عملکرد NMC بدون پوشش و پوشش‌داده شده با ZrO2 نشان می‌دهد که الکترود اصلاح‌شده سطحی ظرفیت ویژه‌ی 170 میلی‌آمپر ساعت در گرم را پس از 120 چرخه شارژ-تخلیه حفظ می‌کند.

مسیر دیگری که اخیراً مورد استفاده قرار گرفته است پوشش یک لایه کربن روی LiMn2O4 است که معمولاً 1.5 نانومتر ضخامت دارد. کاتد کامپوزیت C-LiMn2O4 97.76 درصد از ظرفیت تخلیه اولیه خود را پس از 100 چرخه شارژ-تخلیه با نرخ C/10 حفظ می‌کند و ثابت می‌کند که لایه کربن از تماس مستقیم ماده هسته با الکترولیت اسیدی و سرکوب انحلال منگنز به الکترولیت جلوگیری می‌کند. استراتژی فعلی برای سنتز نانوسیم‌ها استفاده از قالب خود پشتیبان است که برای تولید انبوه مناسب نیست. با این حال، اکنون می‌توان نانوسیم‌های LiMn2O4 پوشش داده شده با کربن را بدون استفاده از الگو تهیه کرد. کاتد تهیه شده با نانوسیم‌های C-LiMn2O4 مزیت اندازه نانوسیم‌ها را برای دستیابی به عملکرد با نرخ بالا و محافظت از کربن برای به دست آوردن عمر چرخه طولانی اضافه می‌کند. حتی پس از 1500 چرخه در چگالی جریان بسیار بالا در 30 درجه سانتی‌گراد، تقریباً 82 درصد از ظرفیت اولیه آن همچنان قابل حفظ است.

3) خودترمیمی

باتری‌ها به مرور زمان دچار تغییر شکل فیزیکی ناشی از واکنش‌های الکتروشیمیایی می‌شوند یا باید برای تامین انرژی دستگاه‌های کشش و انعطاف پذیر قابل تغییر شکل باشند. اولی ارتباط نزدیکی با تغییرات ساختاری مواد میزبان یا کل الکترود در هنگام ورود/خروج یون‌های حامل بار دارد که به مقدار و نوع ذخیره بار بستگی دارد. مورد دوم بیشتر به مسائل مربوط به الکترولیت اشاره دارد، در حالتی که خود سیستم از معماری‌های سلولی مختلف مانند باتری آبی و باتری حالت جامد استفاده می‌کند. بر خلاف مهندسی در سطح دستگاه، فرمول اولیه اجزای باتری، عمر مفید سیستم‌ها را بدون هیچ فرصتی برای ترمیم بیشتر ساختار معیوب یا متلاشی‌شده داخلی هنگامی که وارد حالت خرابی می شود، تعیین می‌کند. حتی مواد کاربردی که به خوبی طراحی شده‌اند در داخل باتری به دلیل آسیب‌های تصادفی یا خستگی انباشته در طول کار باتری، به سرعت تخریب می‌شوند. بنابراین، مواد خود ترمیم شونده بدیهی است فرصتی عالی برای چنین سیستم‌هایی با مناطق قابل دسترس کم دارند و عملکردهای هوشمند زیست تقلیدی باعث می‌شوند تا آسیب‌ها را به روش‌های خودمختار یا غیرخودکار، بسته به نیاز به محرک‌های خارجی (مانند گرما، نور، برق یا بار مکانیکی) ترمیم کنند. اصطلاحات «غیرذاتی» و «ذاتی» نیز می‌توانند برای توصیف ویژگی دیگری از هر فرآیند خودترمیمی استفاده شوند. مواد خود ترمیم شونده غیرذاتی قادر به ترمیم محل‌های آسیب دیده نیستند بلکه حاوی عوامل ترمیم کننده خارجی است که در داخل کانال یا کپسول‌ها پنهان شده‌اند که بعداً شکسته می‌شوند و عامل خودترمیم را آزاد می‌کنند تا ساختار را به حالت اولیه بازگرداند یا یک عملیات عادی را فعال کنند. مواد خود ترمیم شونده ذاتی، از سوی دیگر، قابلیت اطمینان و دوام سیستم‌ها را بدون عوامل خودترمیم خارجی فراهم می‌کنند. در عوض، خود ترمیمی ذاتی را می‌توان از طریق اتصال مجدد پیوند ذاتا برگشت‌پذیر بین مولکول‌های پلیمر، عمدتاً کووالانسی (واکنش های دیلز-آلدر) و برهمکنش‌های بین مولکولی (پیوند هیدروژنی، دوقطبی-دوقطبی و تعاملات وان دروالس) به دست آورد.

بر اساس همان مفاهیم اساسی برای خودترمیمی آسیب‌ها (یا ترک‌ها)، تولید فاز متحرک برای عملیات خودترمیمی ضروری است که به طور فیزیکی لبه‌های مکان‌های آسیب‌دیده را با انتقال جرم هدایت شده یا واکنش ترمیم موضعی از واکنش‌های شیمیایی به هم نزدیک می‌کند. با توجه به عملکرد باتری، یک جریان پیوسته از الکترون‌ها و یون‌های حامل بار، ذخیره انرژی دست نخورده را از طریق مدار خارجی و الکترولیت به مواد میزبان تکمیل می‌کند، به عنوان مثال، دستیابی به یکپارچگی الکترود برای ایمن کردن مسیر الکترون و تامین شار یونی یکنواخت در  شرایط تغییر شکل شدید هنوز چالش برانگیز است.

شرکتها در این حوزه سرمایه گذاری زیادی در تحقیقات کرده اند از دیگر اجزای هوشمند باتری می توان به  بایندرهای چندعاملی دینامیک، الکترولیت‌ها و  رساناهای خودترمیمِ، طرح محافظتی یون-انتخاب‌پذیر در حوزه ایمنی باتری می توان به پلیمرهای حساس به گرما، الکترولیت غیر قابل اشتعالی اشاره کرد.