Các nhà khoa học phát triển vật liệu điện cực bảo toàn thể tích, khiến nó trở nên lý tưởng cho pin EV thể rắn

Các nhà khoa học phát triển vật liệu điện cực bảo toàn thể tích, khiến nó trở nên lý tưởng cho pin EV thể rắn

    Các nhà khoa học phát triển vật liệu điện cực bảo toàn thể tích, khiến nó trở nên lý tưởng cho pin EV thể rắn
    bởi Đại học Quốc gia Yokohama

    Scientists develop electrode material that preserves its volume, making it ideal for solid-state EV batteries
    Các nhà khoa học đã tạo ra một vật liệu điện cực mới có dung lượng cao hầu như không thay đổi về thể tích trong quá trình sạc/xả. Tính năng độc đáo này có thể được tận dụng để sản xuất pin lithium-ion thể rắn với độ bền chưa từng có. Nguồn: Đại học Quốc gia Yokohama


    Ô tô điện được coi là lựa chọn tốt nhất của chúng tôi để thay thế ô tô thông thường bằng một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn. Tuy nhiên, ô tô điện và các phương tiện điện khác rất có thể sẽ chạy bằng pin lithium-ion, loại pin hiện không mang lại hiệu suất và độ bền cần thiết với mức giá hợp lý.

    Tuy nhiên, pin thể rắn (SSB) đã thu hút được nhiều sự chú ý trong vài năm qua đối với các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm giải pháp thay thế. Trong khi pin lithium-ion thông thường có chứa chất điện phân lỏng trong đó các ion lithi chạy trong quá trình sạc/xả, thì các SSB được làm hoàn toàn từ vật liệu rắn. Bên cạnh một cải tiến lớn về an toàn vận hành—vì những loại pin này sẽ không làm đổ chất lỏng độc hại khi bị thủng—SSB có thể được sạc nhanh hơn nhiều.

    Nhưng cho đến nay, có một vấn đề chưa được giải quyết trong các SSB làm hạn chế độ bền của chúng. Khi các ion lithium được đưa vào hoặc rút ra khỏi các điện cực của pin, cấu trúc tinh thể của vật liệu sẽ thay đổi, làm cho điện cực giãn ra hoặc co lại. Những thay đổi lặp đi lặp lại về thể tích này làm hỏng giao diện giữa các điện cực và chất điện phân rắn và gây ra những thay đổi không thể đảo ngược trong hóa học tinh thể của các điện cực.

    Trong bối cảnh đó, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Naoaki Yabuuchi của Đại học Quốc gia Yokohama, Nhật Bản, đứng đầu, đã nghiên cứu một loại vật liệu điện cực dương mới với độ ổn định chưa từng có trong SSB. Công trình của họ, đã được xuất bản trong Nature Materials, do Phó Giáo sư Neeraj Sharma từ UNSW Sydney, Úc và Tiến sĩ Takuhiro Miyuki từ LIBTEC, Nhật Bản, đồng tác giả.

    Vật liệu mà nhóm nghiên cứu tập trung vào là Li8/7Ti2/7V4/7O2, một hệ thống nhị phân bao gồm các phần được tối ưu hóa của lithium titanate (Li2TiO3) và lithium vanadi dioxide (LiVO2). Khi được nghiền nhỏ thành kích thước hạt thích hợp theo thứ tự nanomet, vật liệu này mang lại công suất cao nhờ số lượng lớn các ion lithium có thể được đưa vào và rút ra một cách thuận nghịch trong quá trình sạc/xả.

    Không giống như các vật liệu điện cực dương khác, Li8/7Ti2/7V4/7O2 có một đặc tính đặc biệt khiến nó trở nên nổi bật: nó có thể tích gần như bằng nhau khi được sạc đầy và xả hết. Các nhà nghiên cứu đã phân tích nguồn gốc của tính chất này và kết luận rằng đó là kết quả của sự cân bằng tốt giữa hai hiện tượng độc lập xảy ra khi các ion lithium được đưa vào hoặc chiết xuất khỏi tinh thể.

    Một mặt, việc loại bỏ các ion lithium, hay còn gọi là "phân tách", làm tăng thể tích tự do trong tinh thể, khiến nó co lại. Mặt khác, một số ion vanadi di chuyển từ vị trí ban đầu của chúng sang khoảng trống do các ion liti để lại, thu được trạng thái oxy hóa cao hơn trong quá trình này. Điều này gây ra tương tác đẩy với oxy, từ đó tạo ra sự giãn nở của mạng tinh thể.

    Giáo sư Yabuuchi nói: “Khi sự co rút và giãn nở được cân bằng tốt, sự ổn định về kích thước được duy trì trong khi pin được sạc hoặc xả, tức là trong quá trình đạp xe.

    "Chúng tôi dự đoán rằng một loại vật liệu thực sự không thay đổi về kích thước—loại vật liệu vẫn giữ được thể tích của nó khi quay vòng điện hóa—có thể được phát triển bằng cách tối ưu hóa hơn nữa thành phần hóa học của chất điện phân."

    Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu điện cực dương mới này trong một tế bào hoàn toàn ở trạng thái rắn bằng cách kết hợp nó với một chất điện phân rắn thích hợp và một điện cực âm. Loại pin này có dung lượng vượt trội là 300 mAh/g mà không bị suy giảm chất lượng sau 400 chu kỳ sạc/xả.

    "Việc không giảm dần công suất trong 400 chu kỳ cho thấy rõ ràng hiệu suất vượt trội của vật liệu này so với hiệu suất được báo cáo cho các tế bào hoàn toàn ở trạng thái rắn thông thường với vật liệu nhiều lớp. Phát hiện này có thể giảm đáng kể chi phí pin. Sự phát triển của vật liệu rắn hiệu suất cao thực tế pin trạng thái cũng có thể dẫn đến sự phát triển của các loại xe điện tiên tiến," Giáo sư Sharma giải thích.

    Bằng cách tinh chỉnh thêm các vật liệu điện cực bất biến về kích thước, có thể sớm sản xuất được loại pin đủ tốt cho xe điện xét về giá cả, độ an toàn, dung lượng, tốc độ sạc và tuổi thọ.

    Giáo sư Yabuuchi nói: “Sự phát triển của pin thể rắn có tuổi thọ cao và hiệu suất cao sẽ giải quyết một số vấn đề của xe điện.

    "Ví dụ, trong tương lai, có thể sạc đầy một chiếc xe điện chỉ trong vòng năm phút."

    Các nhà nghiên cứu rất muốn thấy nhiều tiến bộ hơn trong lĩnh vực này để đẩy nhanh việc sử dụng ô tô điện và giúp xây dựng một tương lai xanh hơn cho hành tinh 

    Zalo
    Hotline