Các nhà khoa học sử dụng chùm tia X để quan sát những chuyển động cực nhỏ, sâu bên trong pin lithium
của Michael Matz, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Hình ảnh này là một phiên bản tĩnh của một hình ảnh động được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Argonne để hình dung các chuyển động bên trong một tế bào pin đang hoạt động. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã sử dụng kỹ thuật tia X tiên tiến để xem chuyển động của các thành phần bên trong một tế bào pin đang hoạt động. Nghiên cứu này là một trong những lần đầu tiên những chuyển động như vậy được quan sát trực tiếp một cách chi tiết—ở tỷ lệ một phần triệu mét—trong khi pin sạc và xả.
Daniel Abraham, nhà khoa học vật liệu cao cấp thuộc bộ phận Khoa học và Kỹ thuật Hóa học (CSE) của Argonne, đồng thời là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Thật thú vị khi có thể hình dung ra những chuyển động này. "Các nhà nghiên cứu khác trước đây đã đoán rằng những chuyển động này xảy ra, nhưng họ không thể chỉ ra chúng một cách chi tiết như vậy."
Thách thức: 'Rêu' mọc bên trong bình điện
Một loạt các loại pin đang cạnh tranh để trở thành một trong những thế hệ pin tiếp theo. Với các ứng dụng trong xe điện và lưu trữ năng lượng cho lưới điện, những loại pin như vậy là một phần quan trọng trong giải pháp giảm tác động của biến đổi khí hậu.
Hiện tại, một trong những loại pin hứa hẹn hơn được gọi là pin kim loại lithium. Nó thay thế cực dương kim loại lithium (điện cực âm) cho cực dương than chì hiện được sử dụng trong pin lithium-ion. Các cực dương này có khả năng lưu trữ năng lượng gấp mười lần so với cực dương than chì nhưng bị giảm hiệu suất sau nhiều chu kỳ sạc-xả.
Các nhà nghiên cứu của Argonne muốn hình dung chuyển động của các thành phần pin để hiểu rõ hơn về hai thách thức đối với pin lithium-metal. Đầu tiên, những viên pin này có xu hướng phồng lên và co lại khi sạc và xả. Thứ hai, có xu hướng tích tụ các vật liệu có hại trên bề mặt cực dương của kim loại lithium.
Trong nghiên cứu của mình, họ đã xem chuyển động của cực dương, cực âm (điện cực dương) và dải phân cách bên trong một tế bào pin đang hoạt động. Dải phân cách là một lớp xốp ở giữa các điện cực ngăn không cho chúng chạm vào nhau, nếu không sẽ dẫn đến đoản mạch.
Khi một tế bào pin kim loại lithium sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm qua chất điện phân đến cực dương. Cực dương mở rộng khi các nguyên tử lithium lắng đọng trên bề mặt của nó. Trong quá trình phóng điện, cực dương co lại khi lithium bị loại bỏ. Quá trình qua lại này là bình thường.
Abraham cho biết: “Một loại pin lithium lý tưởng sẽ lắng đọng và loại bỏ một lớp lithium đồng nhất qua hàng nghìn chu kỳ sạc-xả một cách thuận nghịch. "Một loại pin như vậy sẽ lưu trữ và cung cấp điện tích trong nhiều năm."
Kim loại liti có tính phản ứng cao. Khi lắng đọng trên cực dương, kim loại nhanh chóng phản ứng với chất điện phân gần đó. Những phản ứng này tạo thành một lớp vật chất trên lithium được gọi là chất điện phân rắn xen kẽ.
Một lớp xen kẽ mỏng có thể bảo vệ sức khỏe của pin. Nó tách chất điện phân và kim loại liti để chúng không thể tiếp tục phản ứng. Những phản ứng như vậy cuối cùng có thể tiêu thụ hết chất điện phân—và tế bào sẽ ngừng hoạt động.
Abraham nói: “Một pha mỏng tương tự như vỏ trứng bao phủ quả trứng. "Giống như phôi trong trứng có thể hít thở không khí đi qua vỏ trứng, các ion lithium vẫn có thể di chuyển qua trung gian để tiếp tục quá trình sạc và xả."
Nhưng vật liệu xen kẽ có thể trở thành vấn đề nếu nó quá dày. Khi lithium mới lắng đọng trên cực dương, nhiều phản ứng hơn có thể tạo thành nhiều lớp xen kẽ hơn. Các phần khác nhau của các lớp có thể phát triển vào nhau, tạo thành các lỗ nhỏ. Các lỗ này tạo ra các bề mặt bổ sung và thêm vào thể tích của pha trung gian.
Abraham cho biết: “Nhiều chất điện phân ngày nay tiếp tục phản ứng với kim loại liti để tạo thành một khối vật liệu xen kẽ dày. "Khối lượng này có thể cản trở sự di chuyển của các ion lithium qua cực dương và làm giảm hiệu suất cũng như vòng đời của tế bào. Khi chúng ta quan sát lớp xen kẽ dày dưới kính hiển vi điện tử cực mạnh, nó trông giống như một tấm thảm rêu trên nền rừng. Rêu là râu kim loại liti được nạm bằng vật liệu xen kẽ."
John Okasinski, nhà vật lý Argonne thuộc bộ phận Khoa học tia X và là một trong những người cho biết: “Nếu bạn đang cố gắng thiết kế pin cho điện thoại, máy tính và ô tô, thì bạn không muốn sự giãn nở không thể đảo ngược của cực dương quá nhiều. các tác giả của nghiên cứu. "Điều đó có thể gây ra vấn đề với các thành phần khác trong thiết bị."
Tín dụng: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Sử dụng tia X để xem chuyển động của pin
Tại Nguồn Photon Nâng cao của Argonne, một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật tiên tiến gọi là nhiễu xạ tia X phân tán năng lượng. Kỹ thuật này liên quan đến việc hướng một chùm tia X vào một tế bào pin lithium-ion khi nó được sạc và xả nhiều lần. Phòng giam là một hình tròn nhỏ
phó được gọi là một tế bào tiền xu. Nó chứa một cực dương làm bằng kim loại liti và một cực âm làm từ vật liệu oxit kim loại.
Các nhà nghiên cứu đã đo các kiểu thay đổi của chùm tia X tán xạ. Thông tin này cho phép họ lập bản đồ và mô tả những thay đổi trong cách sắp xếp nguyên tử trong vật liệu của tế bào. Sau đó, nhóm đã sử dụng những thay đổi sắp xếp đó để định lượng chuyển động của các thành phần của tế bào.
Abraham cho biết: “Các chuyển động mà chúng tôi đo được là do sự giãn nở và co lại của cực dương khi lithium lắng đọng và bị loại bỏ. "Chúng tôi nhận thấy rằng cực dương lớn hơn nhiều so với dự kiến do sự tích tụ của vật liệu xen kẽ. Chúng tôi cũng thấy rằng cực dương mở rộng đẩy vào cực âm và dải phân cách, khiến chúng cũng di chuyển."
Các ứng dụng có giá trị trong tương lai cho kỹ thuật X-quang tiên tiến
Kỹ thuật tia X tiên tiến trong nghiên cứu này sử dụng chùm tia X năng lượng cao xuyên qua lớp vỏ thép bảo vệ của tế bào đồng xu và nhìn sâu vào bên trong tế bào khi tế bào hoạt động.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để định lượng lượng lớp mạ và lớp phủ lithium có thể đảo ngược trong một tế bào pin đang hoạt động. Nó cũng có thể đo lượng kim loại liti bị mất vĩnh viễn trong lớp xen kẽ—và kết quả là sự phát triển của lớp xen kẽ. Những khả năng này cực kỳ có giá trị vì chúng có thể được sử dụng để sàng lọc các chất điện phân thế hệ tiếp theo hiệu quả nhất.
“Các nhà khoa học về pin có thể sử dụng kỹ thuật này để nhanh chóng xác định các chất điện phân tốt nhất,” Abraham nói. "Đây sẽ là những chất tạo thành một lớp xen kẽ mỏng, ngăn chặn sự chồng chất rêu của vật liệu và cho phép kim loại lithium lắng đọng và hòa tan đồng đều. Một trong những bước nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi là sử dụng kỹ thuật này để đánh giá cách thức các chất điện phân thế hệ tiếp theo có thể tối ưu hóa lithium lắng đọng và lớp xen kẽ. Chúng tôi cũng có kế hoạch nghiên cứu xem các bề mặt cực dương khác nhau—chẳng hạn như đồng—có thể thay đổi và cải thiện các quy trình này như thế nào."
Kỹ thuật X-quang có những ứng dụng có giá trị khác. Nó có thể xác định xem các thành phần pin mở rộng có đang nén dải phân cách quá nhiều hay không. Quá trình nén này có thể làm cho các lỗ của thiết bị phân tách đóng lại, làm chậm hoặc thậm chí ngừng chuyển động của các ion lithium giữa các điện cực. Nó cũng có thể được sử dụng để xác định gradient nồng độ lithium trong cực âm.
Các phát hiện được công bố trên Tạp chí Nguồn điện.
