«Отскок не скажет вам, разрядился аккумулятор или нет, он просто скажет, свежая ли батарея», – сказал Дэниел Стейнгарт, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера.
Тест на отскок аккумулятора, популярный в онлайн-видео, показывает, что полностью заряженные аккумуляторы очень мало отскакивают при падении, в то время как те, которые использовались некоторое время, подпрыгивают выше. Высота отскока увеличивается по мере разряда батарей, и это привело к общему выводу, что внутренние изменения, связанные с уменьшением заряда, являются причиной более сильного отскока.
"Год назад мой приятель, который знает, что я работаю над этим, прислал мне это видео и сказал, знаете ли вы, что это происходит??"Стейнгарт сказал. "Я не. Но у меня на столе была куча батареек, и я смог это проверить."
Стейнгарт был заинтригован тем, как подпрыгивание менялось при разряде батарей – это не было линейным увеличением. Вместо этого высота быстро увеличивалась, а затем выровнялась.
Его исследовательская группа некоторое время работала над внутренними изменениями, связанными с разрядом батареи, и он задавался вопросом, отражают ли меняющиеся отскоки важные изменения в батареях.
Они разработали быстрый эксперимент, в котором они поместили обычную батарею через трубку из оргстекла и использовали компьютерный микрофон, чтобы записать его удар о стол. Затем исследователи смогли использовать время между отскоками, чтобы определить высоту отскока.
«Что мне действительно понравилось в этом эксперименте, так это то, что результат имеет большое научное значение, но это также то, что я могу показать кому-то без научного опыта, и они все равно могут извлечь из этого что-то», – сказал Шохам Бхадра. , аспирант кафедры электротехники и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера и ведущий автор исследовательской работы, в которой представлены результаты.
В другом исследовании материалов, используемых в щелочных батареях, команда получила данные из рентгеновских снимков батарей, сделанных в Брукхейвенской национальной лаборатории. Они объединили результаты своих испытаний на падение с данными сканирования, чтобы оценить, что вызвало изменения в отскоке.
Они выяснили, что это связано с тем, как батареи производят энергию. Электричество вырабатывается в результате химической реакции внутри батарей, когда цинк превращается в оксид цинка.
Изначально слой цинка окружает латунный сердечник в батарее, как пончик вокруг отверстия. По мере разряда батареи цинковый бублик постепенно превращается в оксид цинка.
«Оксид цинка начинает формироваться снаружи и продвигается к сердцевине», – сказал Стейнгарт. "По мере того, как вы получаете все больше и больше оксида цинка, и оксид цинка начинает появляться повсюду в цинковом слое, батарея становится все более упругой и упругой."
В статье, опубликованной 13 марта в онлайн-версии The Journal of Materials Chemistry A, исследователи пришли к выводу, что отскоки увеличиваются, потому что оксид цинка образует крошечные мостики в цинковом материале, что снижает механическое демпфирование батареи.
«Цинк начинается как уплотненный слой частиц, которые очень красиво движутся мимо друг друга», – сказал Стейнгарт. "Когда вы окисляете цинк, он создает мосты между частицами и делает его более похожим на сеть пружин. Вот что отскакивает от батареи. "
Стейнгарт сказал, что это не слишком удивительно, поскольку оксид цинка указан в качестве компонента, добавляющего отскок мячам для гольфа во многих патентах.
Но образование мостиков достигает максимального «уровня отскока» задолго до того, как окисление цинка завершится.
Это означает, что отскок достигнет пика и стабилизируется задолго до того, как батарея разрядится.
«Хотя этот тест кажется уловкой в салоне, способ, которым изменяется коэффициент восстановления, дает поразительное представление не только о том, какая реакция происходит в батарее, но и о том, где происходит реакция в зависимости от состояния заряда», – сказал Стейнгарт.
Помимо Стейнгарта и Бхадры, в число исследователей этого проекта входят Бенджамин Хертцберг и Эндрю Хси, исследователи-постдокторанты в области машиностроения и аэрокосмической техники в Принстоне и Центре энергетики и окружающей среды Андлингера; Марк Крофт из Университета Рутгерса; Джошуа Галлавей из Городского университета Нью-Йорка; Барри Ван Тасселл из Городского колледжа Нью-Йорка; Милад Чамун, Джан Эрдонмез и Чжун Чжун из Брукхейвенской национальной лаборатории; и Тал Шолклаппер из Вольтайка.