Các nhà khoa học sản xuất hỗn hợp đa chức năng cho pin Li-S hiệu suất cao

Các nhà khoa học sản xuất hỗn hợp đa chức năng cho pin Li-S hiệu suất cao

    Các nhà khoa học sản xuất hỗn hợp đa chức năng cho pin Li-S hiệu suất cao
     

    Graphene scientists firstly manufactured a difunctional composite for high-performance Li-S batteries under extremely low temper


    Ôxít graphene (GO) tự động biến thành ôxít graphene khử (rGO) bằng các phản ứng với N,O-cacboxymetyl chitosan dưới 1 Pa và -50 ℃. N,O-cacboxymetyl chitosan (CC) tích hợp không chỉ có chức năng như một chất kết dính để kết nối các tấm nano graphene oxit (rGO) khử trong hai chiều để triệt tiêu hiệu ứng con thoi của polysulfua liti thông qua hiệu ứng rào cản vật lý, mà còn cung cấp nhiều vị trí hoạt động bằng cách các dị nguyên tử của nó với các cặp electron đơn độc để đẩy các anion polysulfide và tăng tốc độ vận chuyển lithium-ion. Do quy trình sản xuất hỗn hợp graphene oxit (CC-rGO) khử lớp N, O-carboxymethyl chitosan có màu xanh lá cây và do đó, nó cũng hứa hẹn sẽ được áp dụng trên quy mô lớn cho pin Li-S hiệu suất cao. Ảnh: Zhibin Jiang, Lujie Jin, Xiying Jian, Jinxia Huang, Hongshuai Wang, Binhong Wu, Kang Wang, Ling Chen, Youyong Li, Xiang Liu và Weishan Li.


    Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Nam Trung Quốc và Đại học Soochow đã báo cáo một bộ tách pin Li-S đa chức năng mới (CC-rGO/AB/PP) có nguồn gốc từ một phương pháp tổng hợp mới dưới áp suất cực cao (1 Pa, -50 C) để thúc đẩy Li hiệu quả hơn -S pin một cách đơn giản.

    Nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là đối với xe điện và nhà máy điện, đòi hỏi phải có pin lưu trữ năng lượng cao hơn. Về mặt lý thuyết, pin lithium-lưu huỳnh (Li-S) có dung lượng năng lượng vượt xa pin lithium-ion và do đó đã thu hút nhiều sự chú ý.

    Tuy nhiên, tuổi thọ thực tế và hiệu suất chuyển đổi bị giảm đáng kể do hiệu ứng con thoi trong đó polysulfua lithium (LiPS) hòa tan và thâm nhập vào cực dương trong quá trình phóng điện và gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong. Mặc dù có các kỹ thuật để triệt tiêu hiệu ứng con thoi bằng dải phân cách, nhưng hầu hết chúng vẫn phải hy sinh các chỉ số hiệu suất khác, chẳng hạn như khả năng vận chuyển lithium-ion.

    Xuất bản trên tạp chí Tạp chí quốc tế về sản xuất cực đoan, nhóm do Giáo sư Weishan Li và Youyong Li đứng đầu đã sản xuất và nghiên cứu thiết bị tách lớp N,O-carboxymethyl chitosan-reduced graphene oxide/acetylene black/polypropylene (CC-rGO/AB/PP) .

    Ôxít graphene khử (rGO) là vật liệu phổ biến được sử dụng để cải thiện hiệu suất của pin lithium-lưu huỳnh (Li-S), nhưng phương pháp tổng hợp truyền thống của nó thường liên quan đến nhiệt độ cao và các quy trình hóa học phức tạp. Ngoài ra, cấu trúc đa lớp gấp và nhỏ gọn của rGO không có lợi cho việc vận chuyển lithium-ion do diện tích bề mặt nhỏ.

    Các nghiên cứu cho thấy rằng rGO có thể thu được bằng cách khử do các nhóm khử gây ra và được phân tách thành các đơn lớp bằng cách chèn các đại phân tử. Điều đáng chú ý là phản ứng thúc đẩy quá trình tự động lắp ráp các "bộ phận hóa học" bên ngoài lên bề mặt vật liệu, còn được gọi là quá trình tự lắp ráp. Trong khi đó, các dị nguyên tử trong vật liệu là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của pin, vì chúng có thể cung cấp các vị trí hoạt động có chức năng kép, tức là đẩy lùi LiPS và truyền Li+.

    Để tận dụng tối đa tất cả các đặc điểm này, các công nghệ tự lắp ráp và đông khô đã được hợp nhất thành một phương pháp mới để tổng hợp các đơn lớp rGO biến đổi về mặt hóa học, đồng thời đảm bảo hiệu quả tổng hợp do điều kiện đông khô khắc nghiệt đẩy nhanh cả phản ứng khử của GO và sự sửa đổi nguyên tử dị hợp tử. Quá trình tổng hợp loại bỏ các dung môi hữu cơ độc hại được đề cập trong các công trình tương tự và sử dụng N,O-cacboxymetyl chitosan (CC) thân thiện với môi trường để cung cấp các nhóm khử và dị nguyên tử cho oxit graphene (GO).

    Sau đó, CC-rGO được trộn với axetylen đen (AB), và hỗn hợp này được phủ lên màng polypropylen (PP) để tạo ra dải phân cách CC-rGO/AB/PP. Do đó, pin Li-S sử dụng dải phân cách mới không chỉ triệt tiêu hoàn toàn LiPS mà còn thể hiện khả năng vận chuyển Li+ đáng kể, cho phép nó cạnh tranh hoặc thậm chí vượt qua những thành tựu tốt nhất trước đây trong lĩnh vực này. Điều này không chỉ có thể cung cấp một phương pháp khử GO thân thiện với môi trường mà còn đưa ra những ý tưởng mới để thiết kế và sản xuất thương mại các dải phân cách mới cho pin Li-S hiệu suất cao.

    Giáo sư Weishan Li, trưởng nhóm nghiên cứu của Đại học Sư phạm Nam Trung Quốc, cho biết: "Để ngăn chặn hiệu ứng con thoi của lithium polysulfide (LiPS), nhiều chiến lược đã được đề xuất. Chiến lược ban đầu là phát triển vật chủ lưu huỳnh, có thể hấp thụ LiPS một cách vật lý , chẳng hạn như ống cacbon, quả cầu cacbon và oxit graphene khử hoặc LiPS hấp thụ hóa học, chẳng hạn như oxit kim loại, nitrua và sunfua. Gần đây, việc sử dụng các chất xúc tác biến đổi thể hiện ái lực mạnh với LiPS để tăng tốc động lực chuyển đổi giữa S8 và Li2S đã cũng được chú ý rộng rãi."

    Ông chỉ ra: "Ở một mức độ nào đó, những nỗ lực này cải thiện hiệu suất của pin Li-S, nhưng khả năng hòa tan của LiPS không thể tránh được hoàn toàn. Như một phản hồi, việc sửa đổi các dải phân cách bằng cách phủ lên các vật liệu có thể ngăn chặn sự xâm nhập của LiPS, đã được áp dụng để triệt tiêu hiệu ứng con thoi của LiPS. Những thiết bị phân tách này có vẻ hiệu quả trong việc ngăn chặn sự xâm nhập của LiPS, nhưng việc sử dụng các vật liệu khác cũng có thể cản trở quá trình vận chuyển lithium-ion."

    Giáo sư Weishan Li cho biết: “Công việc của chúng tôi nhằm mục đích tìm kiếm các vật liệu phủ có thể đáp ứng cả hai bên, tức là không chỉ ngăn chặn sự xâm nhập của LiPS mà còn hỗ trợ vận chuyển lithium-ion để cải thiện pin Li-S”.

    "Thực ra, quá trình tổng hợp graphene oxit khử (rGO) từ graphene oxit (GO) đang chuyển đổi các nhóm chứa oxy thành nước tự do. Khi chúng tôi nhỏ dung dịch nước kiềm, có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi, thành dung dịch GO trong một thí nghiệm, chúng tôi phát hiện ra rằng GO cũng tự lắp ráp với nhau một cách tình cờ. Sự tình cờ này đã truyền cảm hứng cho chúng tôi thiết kế phương pháp tổng hợp graphene oxit khử N,O-carboxymethyl chitosan (CC-rGO) trong điều kiện khắc nghiệt," tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Zhibin Jiang giải thích.

    Nhóm nghiên cứu cũng quan tâm đến cơ chế hiển vi của hiệu suất vượt trội của bộ phân tách mới, đặc biệt là sự đóng góp của CC-rGO. Tiến sĩ Jiang Zhibin cho biết, "Một ý tưởng theo bản năng là so sánh liên kết hóa học trong thiết bị phân tách ở trạng thái được xả hoàn toàn và được sạc."

    Không có gì ngạc nhiên khi các tín hiệu liên kết giữa LiPS và các nguyên tử dị hợp tử cũng như tín hiệu cấu trúc ổn định của CC-rGO được phát hiện duy nhất ở trạng thái phóng điện hoàn toàn trong thử nghiệm, điều này khẳng định sự đóng góp chính và tính ổn định của CC-rGO. Kết hợp với các mô phỏng lý thuyết do nhóm của Giáo sư Youyong Li tại Đại học Soochow cung cấp, vai trò của các nguyên tử dị hợp tử cũng như các tương tác do CC-rGO cung cấp cho LiPS rõ ràng là mạnh hơn so với các vật liệu truyền thống đã được minh họa rõ hơn.

    Tiến sĩ Zhibing Jiang cho biết: "Đây là một tiến bộ xem xét toàn diện hiệu suất, chi phí cũng như độ thân thiện với môi trường và hỗn hợp CC-rGO dạng lớp được sản xuất hứa hẹn sẽ được áp dụng trên quy mô lớn cho pin Li-S hiệu suất cao."

    Zalo
    Hotline