Các kỹ sư giải quyết một bí ẩn trên con đường tạo ra pin nhỏ hơn, nhẹ hơn

Các kỹ sư giải quyết một bí ẩn trên con đường tạo ra pin nhỏ hơn, nhẹ hơn

    Các kỹ sư giải quyết một bí ẩn trên con đường tạo ra pin nhỏ hơn, nhẹ hơn
    bởi David Chandler, Học viện Công nghệ Massachusetts

    lithium ion battery
    Ảnh: Pixabay/CC0 


    Một khám phá của các nhà nghiên cứu MIT cuối cùng có thể mở ra cánh cửa cho việc thiết kế một loại pin sạc lithium mới, nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn và an toàn hơn các phiên bản hiện tại và đã được các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới theo đuổi trong nhiều năm.

    Chìa khóa cho bước nhảy vọt tiềm năng này trong công nghệ pin là thay thế chất điện phân lỏng nằm giữa các điện cực dương và âm bằng một lớp vật liệu gốm rắn mỏng hơn, nhẹ hơn nhiều và thay thế một trong các điện cực bằng kim loại lithium rắn. Điều này sẽ làm giảm đáng kể kích thước và trọng lượng tổng thể của pin, đồng thời loại bỏ rủi ro về an toàn liên quan đến chất điện phân lỏng dễ cháy. Nhưng nhiệm vụ đó gặp phải một vấn đề lớn: các sợi nhánh.

    Dendrites, tên bắt nguồn từ tiếng Latinh có nghĩa là cành cây, là phần nhô ra của kim loại có thể tích tụ trên bề mặt lithium và xâm nhập vào chất điện phân rắn, cuối cùng đi từ điện cực này sang điện cực kia và làm đoản mạch pin. Các nhà nghiên cứu đã không thể đồng ý về nguyên nhân tạo ra các sợi kim loại này, cũng như không có nhiều tiến bộ về cách ngăn chặn chúng và do đó làm cho pin thể rắn nhẹ trở thành một lựa chọn thiết thực.

    Nghiên cứu mới, được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Joule trong một bài báo của Giáo sư MIT Yet-Ming Chiang, sinh viên tốt nghiệp Cole Fincher và năm người khác tại MIT và Đại học Brown, dường như giải quyết được câu hỏi về nguyên nhân gây ra sự hình thành đuôi gai. Nó cũng chỉ ra cách có thể ngăn chặn các sợi nhánh đi qua chất điện phân.

    Chiang cho biết trong nghiên cứu trước đây của nhóm, họ đã thực hiện một phát hiện "bất ngờ và bất ngờ", đó là vật liệu điện phân rắn, cứng được sử dụng cho pin thể rắn có thể bị thâm nhập bởi lithium, một kim loại rất mềm, trong quá trình này. sạc và xả pin, khi các ion lithium di chuyển giữa hai bên.

    Sự chuyển động qua lại của các ion này làm cho thể tích của các điện cực thay đổi. Điều đó chắc chắn gây ra ứng suất trong chất điện phân rắn, chất này phải tiếp xúc hoàn toàn với cả hai điện cực mà nó được kẹp giữa. “Để ký gửi kim loại này, phải có sự mở rộng khối lượng vì bạn đang thêm khối lượng mới,” Chiang nói. "Vì vậy, có sự gia tăng thể tích ở phía bên của tế bào nơi lithium đang được lắng đọng. Và nếu có những vết nứt cực nhỏ xuất hiện, điều này sẽ tạo ra áp lực lên những vết nứt đó có thể gây ra vết nứt."

    Nhóm nghiên cứu hiện đã chỉ ra rằng những ứng suất đó gây ra các vết nứt cho phép các sợi nhánh hình thành. Giải pháp cho vấn đề hóa ra lại căng thẳng hơn, được tác dụng đúng hướng và với lượng lực phù hợp.

    Trong khi trước đây, một số nhà nghiên cứu cho rằng sợi nhánh được hình thành bởi một quá trình điện hóa thuần túy, chứ không phải quá trình cơ học, thì các thí nghiệm của nhóm đã chứng minh rằng chính các ứng suất cơ học gây ra vấn đề.

    Quá trình hình thành dendrite thường diễn ra sâu bên trong các vật liệu mờ đục của pin và không thể quan sát trực tiếp, vì vậy Fincher đã phát triển một cách tạo ra các tế bào mỏng bằng cách sử dụng chất điện phân trong suốt, cho phép nhìn thấy và ghi lại trực tiếp toàn bộ quá trình. Ông nói: “Bạn có thể thấy điều gì xảy ra khi bạn đặt lực nén lên hệ thống và bạn có thể thấy liệu các sợi nhánh có hoạt động theo cách tương xứng với quá trình ăn mòn hoặc quá trình đứt gãy hay không”.

    Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể trực tiếp điều khiển sự phát triển của sợi nhánh đơn giản bằng cách tác dụng và giải phóng áp suất, khiến cho sợi nhánh uốn ngoằn ngoèo và thẳng hàng hoàn hảo với hướng của lực.

    Áp dụng ứng suất cơ học lên chất điện phân rắn không loại bỏ sự hình thành đuôi gai, nhưng nó kiểm soát hướng phát triển của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể được định hướng để duy trì song song với hai điện cực và không bao giờ vượt qua phía bên kia, và do đó trở nên vô hại.

    Trong các thử nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng áp suất gây ra bằng cách uốn cong vật liệu, lực này được tạo thành một chùm có trọng lượng ở một đầu. Nhưng họ nói rằng trong thực tế, có thể có nhiều cách khác nhau để tạo ra ứng suất cần thiết. Ví dụ, chất điện phân có thể được chế tạo bằng hai lớp vật liệu có lượng giãn nở nhiệt khác nhau, do đó có sự uốn cong vốn có của vật liệu, như được thực hiện trong một số máy điều nhiệt.

    Một cách tiếp cận khác là "pha tạp" vật liệu bằng các nguyên tử sẽ nhúng vào trong nó, làm nó biến dạng và để nó ở trạng thái căng thẳng vĩnh viễn. Đây là phương pháp tương tự được sử dụng để sản xuất kính siêu cứng dùng trong màn hình điện thoại thông minh và máy tính bảng, Chiang giải thích. Và lượng áp suất cần thiết không quá lớn: Các thí nghiệm cho thấy áp suất từ ​​150 đến 200 megapascal là đủ để ngăn các sợi nhánh đi qua chất điện phân.

    Áp suất yêu cầu là "tương xứng với những căng thẳng thường được tạo ra trong quy trình phát triển phim thương mại và nhiều quy trình sản xuất khác", vì vậy sẽ không khó để triển khai trên thực tế, Fincher cho biết thêm.

    Trên thực tế, một loại ứng suất khác, được gọi là áp suất ngăn xếp, thường được áp dụng cho các tế bào pin, về cơ bản bằng cách ép vật liệu theo hướng vuông góc với các tấm của pin—giống như nén một chiếc bánh sandwich bằng cách đặt một vật nặng lên trên nó. Người ta cho rằng điều này có thể giúp ngăn các lớp tách ra. Nhưng các thí nghiệm hiện đã chứng minh rằng áp lực theo hướng đó thực sự làm trầm trọng thêm sự hình thành sợi nhánh. Fincher nói: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng loại áp suất ngăn xếp này thực sự làm tăng tốc độ hỏng hóc do dendrite gây ra.

    Thay vào đó, điều cần thiết là áp suất dọc theo mặt phẳng của các đĩa, như thể bánh sandwich đang bị ép từ các bên. "Những gì chúng tôi đã chỉ ra trong nghiên cứu này là khi bạn tác dụng một lực nén, bạn có thể buộc các sợi nhánh di chuyển theo hướng nén," Fincher nói, và nếu hướng đó dọc theo mặt phẳng của các tấm, thì các sợi nhánh "sẽ không bao giờ sang được bờ bên kia."

    Điều đó cuối cùng có thể làm cho việc sản xuất pin sử dụng chất điện phân rắn và điện cực lithium kim loại trở nên khả thi. Những thứ này không chỉ đóng gói nhiều năng lượng hơn vào một thể tích và trọng lượng nhất định, mà chúng còn loại bỏ nhu cầu sử dụng chất điện phân lỏng, vốn là những vật liệu dễ cháy.

    Sau khi chứng minh các nguyên tắc cơ bản có liên quan, bước tiếp theo của nhóm sẽ là cố gắng áp dụng những nguyên tắc này vào việc tạo ra một mẫu pin nguyên mẫu có chức năng, sau đó tìm ra chính xác quy trình sản xuất nào sẽ cần thiết để sản xuất số lượng pin như vậy.

    Ông nói, mặc dù họ đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế, nhưng các nhà nghiên cứu không có kế hoạch thương mại hóa hệ thống này vì đã có những công ty đang nghiên cứu phát triển pin thể rắn. "Tôi muốn nói rằng đây là sự hiểu biết về các chế độ hỏng hóc trong pin thể rắn mà chúng tôi tin rằng ngành công nghiệp cần phải nhận thức được và cố gắng sử dụng để thiết kế các sản phẩm tốt hơn," ông nói.

    Nhóm nghiên cứu bao gồm Christos Athanasiou và Brian Sheldon tại Đại học Brown, và Colin Gilgenbach, Michael Wang và W. Craig Carter tại MIT.

    Zalo
    Hotline