Các nhà nghiên cứu mô tả cách hình thành lớp thụ động trong pin lithium-ion

Các nhà nghiên cứu mô tả cách hình thành lớp thụ động trong pin lithium-ion

    Các nhà nghiên cứu mô tả cách hình thành lớp thụ động trong pin lithium-ion

    Các nhà nghiên cứu của KIT đã sử dụng các mô phỏng để mô tả đặc điểm của sự hình thành chất điện phân rắn xen kẽ. Ảnh: Christine Heinrich

    Batteries: passivation layer mystery solved


    Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, pin lithium-ion đã trở nên không thể thiếu. Chúng chỉ hoạt động nhờ lớp thụ động hình thành trong chu kỳ ban đầu của chúng. Như các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã phát hiện ra thông qua mô phỏng, chất trung gian điện phân rắn này phát triển không trực tiếp ở điện cực mà tổng hợp trong dung dịch. Nghiên cứu của họ đã được đăng trên tạp chí Advanced Energy Materials. Phát hiện của họ cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin trong tương lai.

    Từ điện thoại thông minh cho đến ô tô điện—bất cứ nơi nào cần có nguồn năng lượng di động—thì pin lithium-ion hầu như luôn thực hiện công việc. Một phần thiết yếu của chức năng đáng tin cậy của loại pin này và các loại pin điện phân lỏng khác là chất điện phân rắn xen kẽ (SEI). Lớp thụ động này hình thành khi điện áp được đặt lần đầu tiên. Chất điện phân đang bị phân hủy ngay gần bề mặt. Cho đến nay, vẫn chưa rõ làm thế nào các hạt trong chất điện phân tạo thành một lớp dày tới 100 nanomet trên bề mặt của điện cực vì phản ứng phân hủy chỉ có thể xảy ra trong khoảng cách vài nanomet tính từ bề mặt.

    Lớp thụ động trên bề mặt cực dương rất quan trọng đối với khả năng điện hóa và tuổi thọ của pin lithium-ion vì nó chịu ứng suất cao sau mỗi chu kỳ sạc. Khi SEI bị phá vỡ trong quá trình này, chất điện phân tiếp tục bị phân hủy và dung lượng của pin bị giảm—một quá trình quyết định tuổi thọ của pin. Với kiến thức đúng về sự phát triển và thành phần của SEI, các thuộc tính của pin có thể được kiểm soát. Nhưng cho đến nay, không có phương pháp thử nghiệm hoặc hỗ trợ máy tính nào đủ để giải mã các quá trình phát triển phức tạp của SEI diễn ra trên quy mô rất rộng và ở các chiều khác nhau.

    Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ nano KIT (INT) hiện đã quản lý để mô tả đặc điểm của sự hình thành SEI bằng cách tiếp cận đa quy mô. Giáo sư Wolfgang Wenzel, giám đốc nhóm nghiên cứu "Mô hình vật liệu đa quy mô và thiết kế ảo" cho biết: "Điều này giải quyết được một trong những bí ẩn lớn liên quan đến một phần thiết yếu của tất cả các loại pin điện phân lỏng—đặc biệt là pin lithium-ion mà tất cả chúng ta sử dụng hàng ngày". INT, công ty tham gia vào sáng kiến nghiên cứu quy mô lớn của châu Âu BATTERY 2030+ nhằm mục đích phát triển các loại pin hiệu suất cao bền vững, an toàn, giá cả phải chăng, lâu dài cho tương lai.

    Hơn 50.000 mô phỏng cho các điều kiện phản ứng khác nhau
    Để kiểm tra sự phát triển và thành phần của lớp thụ động hóa ở cực dương của pin chất điện phân lỏng, các nhà nghiên cứu tại INT đã tạo ra một tập hợp gồm hơn 50.000 mô phỏng đại diện cho các điều kiện phản ứng khác nhau. Họ phát hiện ra rằng sự phát triển của SEI hữu cơ tuân theo một lộ trình qua trung gian giải pháp. Đầu tiên, các tiền chất SEI được hình thành trực tiếp trên bề mặt sẽ nối cách xa bề mặt điện cực thông qua quá trình tạo mầm. Sự phát triển nhanh chóng sau đó của các hạt nhân dẫn đến sự hình thành một lớp xốp mà cuối cùng sẽ bao phủ bề mặt điện cực.

    Những phát hiện này đưa ra một giải pháp cho tình huống nghịch lý là các thành phần SEI chỉ có thể hình thành gần bề mặt, nơi có sẵn các điện tử, nhưng sự phát triển của chúng sẽ dừng lại khi vùng hẹp này bị che phủ. Tiến sĩ Saibal Jana, postdoc tại INT và là một trong những tác giả của nghiên cứu giải thích: “Chúng tôi có thể xác định các thông số phản ứng chính quyết định độ dày của SEI.

    "Điều này sẽ cho phép phát triển các chất điện phân và chất phụ gia phù hợp trong tương lai để kiểm soát các đặc tính của SEI và tối ưu hóa hiệu suất cũng như tuổi thọ của pin."

    Zalo
    Hotline