Các nhà nghiên cứu phát triển một cực âm không có coban cho pin lithium-ion

Các nhà nghiên cứu phát triển một cực âm không có coban cho pin lithium-ion

    Các nhà nghiên cứu phát triển một cực âm không có coban cho pin lithium-ion

    Làm việc với các nhà nghiên cứu tại bốn phòng thí nghiệm quốc gia của Hoa Kỳ, Huolin Xin, giáo sư vật lý và thiên văn học UCI, đã tìm ra cách chế tạo pin lithium-ion mà không sử dụng coban, một loại khoáng chất hiếm và đắt tiền được khai thác trong điều kiện vô nhân đạo ở Trung Phi. Ảnh: Steve Zylius / UCI

    researchers develop a cobalt-free cathode for lithium-ion batteries
    Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Irvine và bốn phòng thí nghiệm quốc gia đã tìm ra cách chế tạo cực âm pin lithium-ion mà không sử dụng coban, một loại khoáng chất bị cản trở bởi biến động giá cả và các biến chứng địa chính trị.

    Trong một bài báo được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Nature, các nhà khoa học mô tả cách họ vượt qua những bất ổn về nhiệt và cơ học của catốt được cấu tạo chủ yếu từ niken - một chất thay thế phổ biến cho coban - bằng cách trộn vào một số nguyên tố kim loại khác.

    Tác giả Huolin Xin, giáo sư UCI, cho biết: “Thông qua một kỹ thuật mà chúng tôi gọi là 'pha tạp entropy cao', chúng tôi đã có thể chế tạo thành công một cực âm phân lớp không có coban với khả năng chịu nhiệt cực cao và ổn định qua các chu kỳ sạc và phóng điện lặp lại. vật lý và thiên văn học. "Thành tựu này giải quyết những lo ngại về độ ổn định và an toàn lâu nay xung quanh vật liệu pin niken cao, mở đường cho các ứng dụng thương mại trên diện rộng."

    Cobalt là một trong những rủi ro chuỗi cung ứng quan trọng nhất đe dọa việc sử dụng rộng rãi ô tô điện, xe tải và các thiết bị điện tử khác yêu cầu pin, theo các tác giả của bài báo. Loại khoáng chất này phù hợp về mặt hóa học với mục đích ổn định cực âm của pin lithium-ion, được khai thác hầu như chỉ ở Cộng hòa Dân chủ Congo trong điều kiện lạm dụng và vô nhân đạo.

    Xin cho biết: “Các nhà sản xuất xe điện đang mong muốn hạn chế sử dụng coban trong các bộ pin của họ không chỉ để giảm chi phí mà còn để chống lại các hoạt động lao động trẻ em được sử dụng để khai thác khoáng sản. "Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng coban có thể dẫn đến giải phóng oxy ở điện áp cao, gây hư hỏng pin lithium-ion. Tất cả những điều này cho thấy cần phải có các giải pháp thay thế."

    Tuy nhiên, cực âm làm từ niken đi kèm với các vấn đề riêng, chẳng hạn như khả năng chịu nhiệt kém, có thể dẫn đến quá trình oxy hóa vật liệu pin, thoát nhiệt và thậm chí gây nổ. Mặc dù cực âm niken cao có thể chứa được công suất lớn hơn, nhưng sự căng thẳng về thể tích do sự giãn nở và co lại lặp đi lặp lại có thể dẫn đến độ ổn định kém và các mối quan tâm về an toàn.

    Các nhà nghiên cứu đã tìm cách giải quyết những vấn đề này thông qua việc pha tạp entropy cao về mặt thành phần phức tạp bằng cách sử dụng HE-LMNO, sự kết hợp của các kim loại chuyển tiếp magiê, titan, mangan, molypden và niobi trong bên trong cấu trúc, với một tập hợp con của các khoáng chất này được sử dụng trên bề mặt và giao diện của nó với các vật liệu pin khác.

    Xin và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một loạt các máy ảnh nhiễu xạ tia X của đồng bộ, kính hiển vi điện tử truyền qua và các thiết bị đo nano 3D để xác định rằng cathode không coban của họ thể hiện sự thay đổi thể tích bằng 0 chưa từng có trong quá trình sử dụng lặp đi lặp lại. Cấu trúc ổn định cao có khả năng chịu được hơn 1.000 chu kỳ và nhiệt độ cao, điều này làm cho nó có thể so sánh với cực âm có hàm lượng niken thấp hơn nhiều.

    Đối với một số công cụ nghiên cứu này, Xin đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại National Synchrotron Light Source II, đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở New York. Với tư cách là cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE, NSLS-II đã cung cấp cho nhóm quyền truy cập vào ba trong số 28 công cụ khoa học của mình — được gọi là chùm tia — để nghiên cứu cấu trúc bên trong của cathode mới.

    "Sự kết hợp của các phương pháp khác nhau tại dòng chùm tia NSLS II cho phép phát hiện ra hiệu ứng bẫy các chỗ trống và khuyết tật oxy bên trong vật liệu, giúp ngăn chặn hiệu quả sự hình thành vết nứt trong hạt thứ cấp HE-LMNO, làm cho cấu trúc này cực kỳ ổn định trong quá trình quay vòng," Mingyuan Ge, một nhà khoa học tại NSLS-II, đồng tác giả, cho biết.

    Xin nói thêm: "Bằng cách sử dụng các công cụ tiên tiến này, chúng tôi có thể quan sát sự ổn định nhiệt tăng lên đáng kể và các đặc điểm thay đổi thể tích bằng không của catốt và chúng tôi đã có thể chứng minh khả năng duy trì công suất và tuổi thọ chu kỳ được cải thiện đáng kể. Nghiên cứu này có thể thiết lập giai đoạn cho sự phát triển của một giải pháp thay thế dày đặc năng lượng cho các loại pin hiện có. "

    Ông cho biết công trình này đại diện cho một bước tiến tới việc đạt được mục tiêu kép là thúc đẩy sự gia tăng của giao thông sạch và lưu trữ năng lượng trong khi giải quyết các vấn đề công bằng môi trường xung quanh việc khai thác khoáng sản được sử dụng trong pin.

    Zalo
    Hotline