Các nhà nghiên cứu khám phá cách tiếp cận sáng tạo để chế tạo vật liệu pin lithium-ion mới
Đặc điểm của NCNO đã chuẩn bị. Nhà cung cấp hình ảnh: Pete Barnes và cộng sự, Vật liệu tự nhiên (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01242-0
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Boise đã phát triển một cách tiếp cận mới để chế tạo vật liệu pin lithium-ion mới. Bắt đầu từ một niobi oxit vô định hình (tức là một vật liệu không có trật tự tầm xa) niobi oxit, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chính hành động luân chuyển vật liệu với liti gây ra sự biến đổi thành một cực dương Nb2O5 tinh thể mới với khả năng lưu trữ Li đặc biệt và chu kỳ nhanh. Quá trình này có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu pin lithium-ion khác mà không thể dễ dàng chế tạo được bằng các phương tiện truyền thống.
Nghiên cứu do các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Hui (Claire) Xiong, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Boise State, và Shyue Ping Ong, giáo sư kỹ thuật nano tại Đại học California San Diego, đã được công bố trên tạp chí Nature. Vật liệu.
Việc phát hiện ra các vật liệu mới cho pin lithium-ion đã trở nên cấp thiết mới. Được thúc đẩy bởi giá xăng tăng cao, nhu cầu về xe điện (EV) tăng vọt và kéo theo đó là pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho chúng. Tuy nhiên, pin lithium-ion ngày nay vẫn quá đắt và sạc quá chậm.
Tiến sĩ Pete Barnes cho biết: “Pin Lithium-ion là công nghệ hàng đầu cho thị trường pin sạc, nhưng cũng có sự gia tăng nhu cầu về pin có năng lượng cao và thời gian sạc nhanh hơn. cựu sinh viên Phòng thí nghiệm Vật liệu Năng lượng Điện hóa của Xiong tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Micron và là tác giả chính của công trình. "Nếu bạn muốn sạc EV trong 15 phút và sau đó lên đường trong 200 hoặc 300 dặm tiếp theo, bạn cần các điện cực pin mới có thể được sạc với tốc độ rất nhanh mà không bị giảm nhiều về hiệu suất."
Một trong những điểm nghẽn lớn nhất đối với việc sạc pin lithium-ion hiện nay là cực dương. Cực dương phổ biến nhất được làm bằng than chì, rất đậm đặc năng lượng, nhưng không thể sạc quá nhanh do nguy cơ cháy và nổ từ một quá trình được gọi là mạ kim loại liti. Các oxit kim loại xen kẽ, như vật liệu muối mỏ Nb2O5 mà nhóm nghiên cứu phát hiện, là những lựa chọn thay thế anốt đầy hứa hẹn do giảm nguy cơ mạ lithium ở điện áp thấp.
Để tạo ra vật liệu anốt mới, nhóm của Xiong đã phát triển một kỹ thuật mới sáng tạo được gọi là biến đổi tinh thể từ vô định hình cảm ứng điện hóa. Điện cực mới có thể đạt được dung lượng lưu trữ lithium cao 269 mAh / g với tốc độ sạc 20 mA / g và quan trọng hơn, tiếp tục duy trì dung lượng cao 191 mAh / g ở tốc độ sạc cao 1 A / g.
Xiong cho biết: “Khía cạnh thú vị nhất của công việc này là việc phát hiện ra một phương pháp hoàn toàn mới để tạo ra các điện cực pin lithium-ion mới. "Bí quyết là bắt đầu từ giai đoạn năng lượng cao hơn, chẳng hạn như vật liệu vô định hình. Chỉ cần quay vòng vật liệu với liti cho phép chúng tôi tạo ra các sắp xếp tinh thể mới thể hiện các đặc tính được cải thiện hơn so với các phương tiện truyền thống như phản ứng ở trạng thái rắn."
Hiệu suất tốc độ đặc biệt của cực dương là do cấu trúc đá muối hoặc DRX bị xáo trộn của nó, giống như muối ăn thông thường trong nhà bếp nhưng với các nguyên tử Li và Nb được sắp xếp theo kiểu ngẫu nhiên. Trong khi vật liệu làm cực âm DRX nổi tiếng, thì cực dương DRX tương đối hiếm. Sử dụng các kỹ thuật tính toán, Tiến sĩ Yunxing Zuo. cựu sinh viên của Phòng thí nghiệm ảo Vật liệu của Ong tại UC San Diego, đã chỉ ra rằng quá trình đưa Li vào Nb2O5 vô định hình cho phép các nhà khoa học vật liệu tiếp cận các vật liệu siêu bền. Nhóm cũng đã phát triển một số liệu để xác định các oxit kim loại khác có khả năng được tổng hợp theo cách tương tự. Các tính toán cũng cho thấy rằng cấu trúc DRX chứa các đường dẫn để khuếch tán lithium nhanh, dẫn đến hiệu suất tốc độ cao.
Ong nói: “Chúng tôi tin rằng công việc này chỉ là khởi đầu cho một cách suy nghĩ hoàn toàn mới về tổng hợp vật liệu. "Các nguyên tử thích tự sắp xếp theo những cách nhất định. Khi chúng ta chế tạo vật liệu theo cách truyền thống, chúng ta thường nhận được những cách sắp xếp giống nhau.
Nhóm nghiên cứu cũng đã hợp tác với Tiến sĩ. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou và Yuzi Liu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, GS. Paul Davis, Paul Simmonds, và Tiến sĩ Darin Schwartz từ Bang Boise, và Tiến sĩ. Yingge Du và Zihua Zhu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.
