Các nhà nghiên cứu phát triển chất điện phân không cháy để ngăn sự thoát nhiệt trong pin lithium-ion
bởi Hội đồng Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quốc gia
Chiến lược thiết kế phân tử cho chất điện phân có điểm chớp cháy cao và so sánh đặc tính đánh lửa ở nhiệt độ phòng. Tín dụng: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
Một nhóm nghiên cứu hợp tác do Tiến sĩ Minah Lee của Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng, Giáo sư Dong-Hwa Seo của KAIST và Tiến sĩ. Yong-Jin Kim và Jayeon Baek thuộc Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH) đã phát triển một chất điện phân không cháy, không bắt lửa ở nhiệt độ phòng bằng cách điều chỉnh cấu trúc phân tử của cacbonat hữu cơ mạch thẳng để ngăn cháy và thoát nhiệt trong pin lithium-ion .
Khi việc sử dụng pin lithium-ion quy mô vừa và lớn trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) ngày càng mở rộng, mối lo ngại về cháy nổ ngày càng tăng.
Cháy pin xảy ra khi pin bị đoản mạch do tác động bên ngoài, lạm dụng hoặc lão hóa và hiện tượng thoát nhiệt kèm theo phản ứng tỏa nhiệt nối tiếp gây khó khăn cho việc dập tắt đám cháy và có nguy cơ gây thương tích cá nhân cao. Đặc biệt, cacbonat hữu cơ tuyến tính được sử dụng trong chất điện phân thương mại dành cho pin lithium-ion có điểm chớp cháy thấp và dễ bắt lửa ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Cho đến nay, để giảm tính dễ cháy của chất điện phân, quá trình flo hóa mạnh trong các phân tử dung môi hoặc muối đậm đặc đã được áp dụng rộng rãi. Kết quả là, sự vận chuyển lithium-ion trong chất điện phân bị giảm ở những chất không tương thích với điện cực thương mại, hạn chế khả năng thương mại hóa của chúng.
Bằng cách đồng thời áp dụng mở rộng chuỗi alkyl và thay thế alkoxy cho phân tử dietyl cacbonat (DEC), một loại cacbonat hữu cơ mạch thẳng điển hình được sử dụng trong chất điện phân pin lithium-ion thương mại, các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất điện phân mới, bis(2-methoxyetyl) cacbonat (BMEC), với điểm chớp cháy và độ dẫn ion được tăng cường bằng cách tăng tương tác giữa các phân tử và khả năng hòa tan.
Giải pháp BMEC có điểm chớp cháy là 121°C, cao hơn 90°C so với điểm chớp cháy của giải pháp DEC thông thường và do đó không thể bắt lửa trong phạm vi nhiệt độ dành cho hoạt động của pin thông thường.
Kết quả kiểm tra độ xuyên đinh của các tế bào túi 4Ah sử dụng chất điện phân thông thường và mới. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
BMEC có thể phân tách muối lithium mạnh hơn so với đối tác alkyl hóa đơn giản của nó, dibutyl cacbonat (DBC), giải quyết vấn đề vận chuyển ion lithium chậm hơn khi giảm tính dễ cháy bằng cách tăng tương tác giữa các phân tử. Kết quả là, nó giữ lại hơn 92% khả năng tốc độ ban đầu của chất điện phân thông thường đồng thời giảm đáng kể nguy cơ hỏa hoạn. Ngoài ra, chất điện phân mới giảm 37% lượng khí dễ cháy và 62% sinh nhiệt so với chất điện phân thông thường.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh hoạt động ổn định của pin lithium-ion 1Ah hơn 500 chu kỳ bằng cách kết hợp chất điện phân mới với cực âm niken cao và cực dương than chì. Họ cũng đã tiến hành kiểm tra khả năng xuyên đinh trên pin Li-ion 4Ah được sạc 70% và xác nhận hiện tượng thoát nhiệt đã được triệt tiêu. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường.
Tiến sĩ Minah Lee của KIST cho biết: "Kết quả của nghiên cứu này cung cấp một hướng mới để thiết kế chất điện phân không bắt lửa, vốn chắc chắn phải hy sinh tính chất điện hóa hoặc tính khả thi về kinh tế."
(Bên trái) Chất điện phân của pin lithium-ion thương mại (DEC) và chất điện phân mới (BMEC) được phát triển bởi nhóm nghiên cứu chung từ KIST, KITECH và KAIST (bên phải). Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
"Chất điện phân không bắt lửa được phát triển có khả năng cạnh tranh về chi phí và khả năng tương thích tuyệt vời với các vật liệu điện cực có mật độ năng lượng cao, do đó, chất này dự kiến sẽ được áp dụng cho cơ sở hạ tầng sản xuất pin thông thường. Cuối cùng, nó sẽ đẩy nhanh sự xuất hiện của các loại pin hiệu suất cao với độ ổn định nhiệt tuyệt vời. "
Tiến sĩ Jayeon Baek của KITECH cho biết: "Giải pháp BMEC được phát triển trong nghiên cứu này có thể được tổng hợp bằng phản ứng chuyển hóa este sử dụng chất xúc tác chi phí thấp và dễ dàng nhân rộng. Trong tương lai, chúng tôi sẽ phát triển phương pháp tổng hợp sử dụng khí C1 (CO hoặc CO2) để nâng cao tính thân thiện với môi trường của nó hơn nữa."
