Các nhà khoa học chuyển sang AI để thiết kế chất điện phân pin tốt hơn
Chất điện phân và các chất xen kẽ liên quan đóng vai trò trung tâm trong việc hỗ trợ các hóa chất pin đa dạng. Về phía cực dương (trái), chất điện phân phải tạo thành một pha xen kẽ để ngăn cực dương than chì khỏi bong tróc, chịu được sự thay đổi mạnh về thể tích của điện cực silicon và ngăn chặn sự phát triển của dạng đuôi gai của kim loại lithium. Về phía cực âm (phải), một kỳ trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn các phản ứng không thể đảo ngược với chất điện phân, duy trì cấu trúc mạng tinh thể của các oxit kim loại chuyển tiếp, ngăn chặn sự vận chuyển xuyên tế bào của các loại polysulfide và hỗ trợ các phản ứng ba pha phức tạp của cực âm không khí . Trong tất cả các tình huống này, các pha xen kẽ phải cho phép vận chuyển ion trong khi cách ly vận chuyển điện tử. Ảnh: Khoa học (2022). DOI: 10.1126/khoa học.abq3750
Thiết kế pin là một quá trình gồm ba phần. Bạn cần một điện cực dương, bạn cần một điện cực âm và—quan trọng—bạn cần một chất điện phân hoạt động với cả hai điện cực.
Chất điện phân là thành phần của pin chuyển ion—các hạt mang điện tích—qua lại giữa hai điện cực của pin, khiến pin sạc và xả. Đối với pin lithium-ion ngày nay, hóa chất điện phân tương đối rõ ràng. Tuy nhiên, đối với các thế hệ pin tương lai đang được phát triển trên khắp thế giới và tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), câu hỏi về thiết kế chất điện phân vẫn còn bỏ ngỏ.
Shirley Meng, nhà khoa học trưởng tại Trung tâm hợp tác Argonne cho biết: "Mặc dù chúng tôi bị khóa trong một khái niệm cụ thể về chất điện phân sẽ hoạt động với pin thương mại ngày nay, nhưng đối với pin ngoài lithium-ion, việc thiết kế và phát triển các chất điện phân khác nhau sẽ rất quan trọng". Khoa học Lưu trữ Năng lượng (ACCESS) và giáo sư kỹ thuật phân tử tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của Đại học Chicago.
"Sự phát triển của chất điện phân là chìa khóa cho sự tiến bộ mà chúng ta sẽ đạt được trong việc biến những loại pin rẻ hơn, bền hơn và mạnh hơn này thành hiện thực, đồng thời thực hiện một bước quan trọng để tiếp tục khử cacbon cho nền kinh tế của chúng ta."
Trong một bài báo mới đăng trên Science, Meng và các đồng nghiệp đã trình bày tầm nhìn của họ về thiết kế chất điện phân trong các thế hệ pin tương lai.
Theo Meng, ngay cả những sai lệch tương đối nhỏ so với pin ngày nay cũng sẽ yêu cầu phải suy nghĩ lại về thiết kế chất điện phân. Cô cho biết, việc chuyển từ oxit chứa niken sang vật liệu gốc lưu huỳnh làm thành phần chính của điện cực dương của pin lithium-ion có thể mang lại lợi ích đáng kể về hiệu suất và giảm chi phí nếu các nhà khoa học có thể tìm ra cách kích hoạt lại chất điện phân.
Đối với các hóa chất ngoài pin lithium-ion khác, như natri-ion có thể sạc lại hoặc lithium-oxy, tương tự như vậy, các nhà khoa học sẽ phải dành sự quan tâm đáng kể cho câu hỏi về chất điện phân.
Một yếu tố chính mà các nhà khoa học đang xem xét trong quá trình phát triển các chất điện phân mới là cách chúng có xu hướng hình thành một lớp trung gian gọi là xen kẽ, lớp này khai thác khả năng phản ứng của các điện cực. “Các pha trung gian cực kỳ quan trọng đối với hoạt động của pin vì chúng kiểm soát cách các ion chọn lọc chảy vào và ra khỏi các điện cực,” Meng nói. "Các kỳ trung gian hoạt động giống như một cánh cổng dẫn đến phần còn lại của pin; nếu cổng của bạn không hoạt động bình thường, quá trình vận chuyển có chọn lọc sẽ không hoạt động."
Theo nhóm nghiên cứu, mục tiêu ngắn hạn là thiết kế các chất điện phân có đặc tính hóa học và điện hóa phù hợp để cho phép hình thành tối ưu các pha xen kẽ ở cả điện cực dương và điện cực âm của pin. Tuy nhiên, cuối cùng thì các nhà nghiên cứu tin rằng họ có thể phát triển một nhóm chất điện phân rắn ổn định ở nhiệt độ cực cao (cả cao và thấp) và cho phép pin có năng lượng cao có tuổi thọ cao hơn nhiều.
Venkat Srinivasan, giám đốc ACCESS, phó giám đốc Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng và đồng tác giả của bài báo cho biết: "Chất điện phân ở trạng thái rắn dành cho pin hoàn toàn ở thể rắn sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi". "Chìa khóa của pin thể rắn là cực dương kim loại, nhưng hiệu suất của nó hiện bị hạn chế do sự hình thành các cấu trúc giống như kim gọi là đuôi gai có thể làm chập pin. Bằng cách tìm ra chất điện phân rắn ngăn chặn hoặc ức chế sự hình thành đuôi gai, chúng tôi có thể nhận ra lợi ích của một số hóa chất pin thực sự thú vị."
Để tăng tốc độ tìm kiếm các đột phá về chất điện phân, các nhà khoa học đã sử dụng sức mạnh của đặc tính tiên tiến và trí tuệ nhân tạo (AI) để tìm kiếm kỹ thuật số thông qua nhiều ứng cử viên khả dĩ hơn, đẩy nhanh quá trình tổng hợp trong phòng thí nghiệm chậm chạp và vất vả.
"Máy tính hiệu năng cao và trí tuệ nhân tạo cho phép chúng tôi xác định các đặc điểm và mô tả tốt nhất sẽ cho phép thiết kế phù hợp các chất điện giải khác nhau cho các mục đích sử dụng cụ thể", Meng nói. "Thay thế
khi xem xét vài chục khả năng sử dụng chất điện phân mỗi năm trong phòng thí nghiệm, chúng tôi đang xem xét hàng nghìn khả năng với sự trợ giúp của máy tính."
Srinivasan cho biết: “Các chất điện phân có hàng tỷ sự kết hợp có thể có của các thành phần—muối, dung môi và chất phụ gia—mà chúng ta có thể sử dụng”. "Để biến con số đó thành thứ gì đó dễ quản lý hơn, chúng tôi đang bắt đầu thực sự sử dụng sức mạnh của trí tuệ nhân tạo, máy học và phòng thí nghiệm tự động."
Các phòng thí nghiệm tự động mà Srinivasan giới thiệu sẽ kết hợp chế độ thí nghiệm do rô-bốt điều khiển. Bằng cách này, máy móc có thể thực hiện các thí nghiệm được tinh chỉnh và hiệu chỉnh cẩn thận hơn bao giờ hết để xác định sự kết hợp của các thành phần nào sẽ tạo thành chất điện phân hoàn hảo. "Khám phá tự động có thể tăng đáng kể sức mạnh nghiên cứu của chúng tôi, vì máy móc có thể hoạt động suốt ngày đêm và giảm khả năng xảy ra lỗi của con người", ông nói.
Meng, Srinivasan và nhà khoa học Kang Xu của Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội thảo luận về thách thức chất điện phân trong một bài báo có tựa đề "Thiết kế chất điện phân tốt hơn", xuất hiện trên Science vào ngày 8 tháng 12.
