Một nhóm nghiên cứu từ Trung tâm Năng lượng Skoltech, do Giáo sư danh dự và giám đốc trung tâm Artem Abakumov đứng đầu, đã được cấp bằng sáng chế cho vật liệu catốt dung lượng cao trong pin lithium-ion được làm từ oxit kim loại chuyển tiếp giàu niken nhiều lớp, cũng như phương pháp sản xuất mới sử dụng lò vi sóng thủy nhiệt.
Sơ đồ tổng hợp tiền chất đồng biến đổi thông qua tuyến thủy nhiệt hỗ trợ vi sóng. Tín dụng: Tạp chí Nguồn điện (2024). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.234302
Phương pháp mới nhanh hơn và rẻ hơn, và bản thân vật liệu catốt sẽ tồn tại lâu hơn khoảng 10% so với các loại có sẵn trên thị trường. Công nghệ này sẽ hỗ trợ phát triển giao thông điện ở Nga hiệu quả hơn.
Một bài báo trình bày kết quả đã được công bố trên Tạp chí Nguồn điện .
"Chúng tôi sử dụng phương pháp xử lý hỗ trợ bằng vi sóng thủy nhiệt để phủ các hạt hình cầu của tiền chất vật liệu catốt bằng một lớp mỏng coban hydroxide. Sau đó, quá trình lithi hóa ở nhiệt độ cao của nó tạo ra một gradient nồng độ, hình thành trong lớp gần bề mặt và một hình thái độc đáo—các hạt chính nằm theo hướng xuyên tâm trong khối kết tụ, chứ không phải ngẫu nhiên, như trường hợp của các vật liệu khác có trên thị trường", Nhà khoa học nghiên cứu cấp cao Alexandra Savina, đồng tác giả của bằng sáng chế và bài báo cho biết.
Ở giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu đã thu được tiền chất hydroxide (một chất tham gia vào phản ứng dẫn đến sự hình thành một chất khác), trong đó các cation niken, mangan và coban được trộn đồng nhất ở cấp độ nguyên tử. Sau đó, hỗn dịch của nó với dung dịch nước của carbamide và một nguồn coban được đặt trong lò phản ứng vi sóng thủy nhiệt, nơi nó được xử lý trong khoảng 15 phút.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thu được một tiền chất được phủ một lớp vỏ đồng nhất làm giàu coban. Ở giai đoạn lithification nhiệt độ cao, tiền chất được trộn với một nguồn lithium và được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao. Bây giờ, thay vì giai đoạn xử lý vi sóng, phương pháp đồng kết tủa chủ yếu được sử dụng trên thị trường, mất hơn 12 giờ.
"Sự hình thành của một gradient nồng độ, kết hợp với hình thái độc đáo, mang lại một số lợi thế—tính ổn định của vật liệu và dung lượng cao của nó ở các tốc độ chu kỳ khác nhau. Nhờ vật liệu của chúng tôi, pin lithium-ion sẽ hoạt động lâu hơn khoảng 10%. Ngoài ra, chúng tôi sử dụng thuốc thử giá rẻ—carbamide (urê)", Savina nói thêm.
Phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến là một trong những nhiệm vụ khoa học và công nghệ quan trọng ở Nga.
Trước đó, chính phủ Liên bang Nga đã phê duyệt lộ trình có tên "Công nghệ tạo ra hệ thống lưu trữ điện, bao gồm cả hệ thống lưu trữ di động" và khái niệm phát triển sản xuất và sử dụng phương tiện vận tải điện tại Nga đến năm 2030, nhằm mục đích đẩy nhanh quá trình phát triển công nghệ và đạt được vị trí hàng đầu thế giới trong lĩnh vực này.
Nhóm nghiên cứu Skoltech và các công ty khởi nghiệp được thành lập tại Viện đã tích cực làm việc trong nhiều năm để giải quyết các nhiệm vụ được nêu trong lộ trình.
"Ngày nay, Skoltech là đơn vị nắm giữ sở hữu trí tuệ lớn nhất về vật liệu catốt oxit tại Nga, điều này sẽ mở đường cho việc sản xuất các thiết bị lưu trữ năng lượng tại Liên bang Nga. Trung tâm của chúng tôi đang tích cực phát triển cả vật liệu catốt mới và các công nghệ hiệu quả hơn cho sản xuất công nghiệp của chúng", Abakumov cho biết.
"Phần lớn chi phí liên quan đến xe điện đến từ pin của xe, và trong số pin đó, thành phần đóng góp quan trọng nhất vào tổng chi phí là vật liệu catốt. Do đó, việc đạt được mức giảm thậm chí 10% chi phí sản xuất vật liệu catốt, trong khi vẫn giữ nguyên được các đặc tính về công suất và điện năng, đóng vai trò là chuẩn mực quan trọng để nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường."
Các tác giả chỉ ra rằng một trong những mục tiêu của lộ trình là sản xuất ra các tế bào có mật độ năng lượng tối đa là 260 watt-giờ trên kilôgam (Wh/kg), nhưng hiện tại nhóm nghiên cứu đang sản xuất các nguyên mẫu tế bào có cường độ năng lượng riêng là hơn 250 Wh/kg và khi chuyển sang vật liệu thế hệ tiếp theo, con số này có thể tăng lên 300 Wh/kg.
Ngoài ra, năm nay các nhà nghiên cứu Skoltech dự kiến sẽ đưa vào hoạt động lò nung trục lăn đầu tiên của Nga để nung tiền chất ở nhiệt độ cao với công suất lên tới 85 tấn/năm. Trung tâm này đã bắt đầu xây dựng một nhà máy sản xuất tiền chất mới với công suất 20 tấn/năm, sẽ được tự động hóa hoàn toàn ở mọi giai đoạn của quy trình công nghệ.
Dữ liệu ban đầu cho dự án mới được thu thập trong quá trình vận hành một nhà máy thí điểm có công suất lên đến 10 tấn tiền chất mỗi năm, lắp ráp bằng các thành phần của Nga. Các dự án này liên quan đến năng lực của công ty khởi nghiệp Rustor có trụ sở tại Skoltech—một công ty công nghệ quy mô nhỏ.
Với sự hỗ trợ của dây chuyền sản xuất hiện đang được xây dựng, Rustor có kế hoạch đưa các vật liệu catốt giàu niken mới ra thị trường để sử dụng trong lĩnh vực di động điện, cũng như các vật liệu được tạo ra có tính đến các yêu cầu cụ thể dành cho máy bay không người lái.
Trong số các đồng tác giả có hai nhà khoa học trẻ: Lucia Sitnikova, một nghiên cứu sinh tiến sĩ từ chương trình Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, và Ekaterina Dolzhikova, một nghiên cứu sinh thạc sĩ từ chương trình Khoa học Vật liệu và là sinh viên tốt nghiệp khóa đầu tiên của chương trình cử nhân chung giữa Skoltech và Đại học Kỹ thuật Nga DI Mendeleev trong chương trình Vật liệu lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Dolzhikova bắt đầu nghiên cứu vật liệu catốt cải tiến như một phần của quá trình chuẩn bị luận văn cử nhân của mình.
"Trong năm học thứ hai, chúng tôi bắt đầu làm việc với vật liệu catốt có cấu trúc lõi-vỏ. Tôi thực sự thích chủ đề này, vì vậy tôi không nghi ngờ gì về việc mình sẽ tiếp tục học ở đâu. Chương trình này và nhóm nghiên cứu đã mang lại cho tôi rất nhiều: kiến thức đáng kinh ngạc, bằng sáng chế, một bài báo chung trên một tạp chí uy tín và sự phát triển nghề nghiệp. Tôi đã học cách làm việc với thiết bị, thuốc thử và kính hiển vi tốt nhất. Tôi muốn dành nhiều thời gian hơn nữa cho việc này", Dolzhikova lưu ý.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt