Điện cực gốc kim loại trong pin lithium-ion hứa hẹn dung lượng cao hơn đáng kể so với điện cực graphite thông thường. Thật không may, chúng bị phân hủy do ứng suất cơ học trong các chu kỳ sạc và xả. Một nhóm tại HZB hiện đã chỉ ra rằng bọt thiếc xốp cao hấp thụ ứng suất cơ học tốt hơn nhiều trong các chu kỳ sạc. Điều này làm cho bọt thiếc trở thành vật liệu thú vị cho pin lithium.
Thiếc có thể được chế biến thành bọt xốp có độ xốp cao. Một nhóm liên ngành tại HZB đã nghiên cứu cách bọt thiếc này (hình ảnh) hoạt động như một điện cực pin. Tín dụng: B. Bouabadi/HZB
Pin lithium-ion hiện đại thường dựa trên điện cực than chì nhiều lớp, với điện cực đối diện thường được làm bằng oxit coban. Trong quá trình sạc và xả, các ion lithium di chuyển vào than chì mà không gây ra những thay đổi đáng kể về thể tích trong vật liệu. Tuy nhiên, khả năng của than chì bị hạn chế, khiến việc tìm kiếm vật liệu thay thế trở thành một lĩnh vực nghiên cứu thú vị.
Điện cực gốc kim loại, chẳng hạn như nhôm hoặc thiếc, có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn. Tuy nhiên, chúng có xu hướng giãn nở đáng kể về thể tích khi hấp thụ lithium, điều này liên quan đến những thay đổi về cấu trúc và mỏi vật liệu.
Thiếc đặc biệt hấp dẫn vì khả năng của nó trên một kilôgam cao hơn than chì gần ba lần và nó không phải là nguyên liệu thô hiếm nhưng lại có sẵn rất nhiều. Một lựa chọn để tạo ra các điện cực kim loại "mỏi" ít nhanh hơn liên quan đến việc tạo cấu trúc nano cho các lá kim loại mỏng. Một lựa chọn khác là sử dụng bọt kim loại xốp.
Một nhóm từ Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hiện đã nghiên cứu nhiều loại điện cực thiếc khác nhau trong quá trình xả và sạc bằng cách sử dụng hình ảnh X-quang operando và phát triển một phương pháp tiếp cận sáng tạo để giải quyết vấn đề này. Một phần của các thí nghiệm đã được thực hiện tại BAMline tại BESSY II. Các hình ảnh X-quang có độ phân giải cao được chụp với sự hợp tác của các chuyên gia hình ảnh Tiến sĩ Nikolai Kardjilov và Tiến sĩ André Hilger tại HZB.
"Điều này cho phép chúng tôi theo dõi những thay đổi về cấu trúc trong các điện cực dựa trên kim loại Sn được nghiên cứu trong quá trình sạc/xả", Tiến sĩ Bouchra Bouabadi, tác giả đầu tiên của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Science, cho biết. Cùng với chuyên gia về pin, Tiến sĩ Sebastian Risse, bà đã khám phá cách hình thái của các điện cực thiếc thay đổi trong quá trình hoạt động do sự hấp thụ không đồng nhất của các ion lithium.
Tiến sĩ Francisco Garcia-Moreno đã sản xuất ra phiên bản điện cực thiếc tốt nhất: bọt thiếc với vô số lỗ rỗng có kích thước micromet. "Chúng tôi đã có thể chứng minh rằng ứng suất cơ học trong bọt thiếc như vậy trong quá trình giãn nở thể tích giảm đáng kể", Tiến sĩ Risse cho biết. Điều này khiến bọt thiếc trở thành vật liệu thú vị cho pin lithium.
Garcia-Moreno đã nghiên cứu nhiều loại bọt kim loại, bao gồm bọt dùng cho các thành phần trong ngành công nghiệp ô tô và bọt nhôm dùng cho điện cực pin. "Bọt thiếc mà chúng tôi phát triển tại TU Berlin có độ xốp cao và là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các vật liệu điện cực truyền thống", ông nói.
Cấu trúc của bọt thiếc rất quan trọng để giảm ứng suất cơ học càng nhiều càng tốt. Công nghệ bọt thiếc cũng có thể hấp dẫn từ góc độ kinh tế: "Mặc dù bọt thiếc đắt hơn lá thiếc thông thường, nhưng nó cung cấp một giải pháp thay thế rẻ hơn cho cấu trúc nano đắt tiền, đồng thời có thể lưu trữ nhiều ion lithium hơn đáng kể, do đó cho phép tăng dung lượng."
Thông tin thêm: Bouchra Bouabadi et al
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
