Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium

Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium

    Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium
    của Đại học Tokyo

    Researchers design next-generation electrolytes for lithium metal batteries
    Khả năng phản ứng cao của kim loại lithium làm giảm chất điện phân trên bề mặt của nó, do đó dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của pin kim loại lithium. Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển các chất điện phân chức năng và các chất phụ gia điện phân để tạo thành một lớp màng bảo vệ bề mặt, tác động đến sự an toàn và hiệu quả của pin lithium, nhưng điều này vẫn không hiệu quả để ngăn chặn một số phản ứng phụ nghiêm trọng. Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đã ổn định kim loại lithium và chất điện phân bằng cách thiết kế chất điện phân cung cấp tiềm năng oxy hóa-khử nâng cao của kim loại lithium, do đó thành công trong việc làm suy yếu hoạt động phản ứng của kim loại lithium về mặt nhiệt động, có thể giúp đạt được hiệu suất pin tốt hơn. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Yamada & Kitada., Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học, Đại học Tokyo


    Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế mới để ổn định điện cực kim loại lithium và chất điện phân trong pin kim loại lithium. Cơ chế mới này, không phụ thuộc vào cách tiếp cận động học truyền thống, có tiềm năng tăng cường đáng kể mật độ năng lượng — lượng năng lượng được lưu trữ so với trọng lượng hoặc thể tích — của pin.

    Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Nature Energy.

    Pin kim loại Lithium là một công nghệ đầy hứa hẹn với tiềm năng đáp ứng nhu cầu cho các hệ thống lưu trữ mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, do sự phân hủy chất điện phân không ngừng trong những loại pin này, hiệu suất Coulombic của chúng thấp. Hiệu suất Coulombic, còn được gọi là hiệu suất dòng điện, mô tả hiệu suất mà các electron được chuyển trong pin. Vì vậy, pin có hiệu suất Coulombic cao có tuổi thọ chu kỳ pin dài hơn.

    "Đây là bài báo đầu tiên đề xuất thế điện cực và các đặc điểm cấu trúc liên quan làm thước đo để thiết kế chất điện phân pin lithium-kim loại, được trích xuất bằng cách giới thiệu khoa học dữ liệu kết hợp với các phép tính toán học. Dựa trên phát hiện của chúng tôi, một số chất điện phân cho phép hiệu suất Coulombic cao, Atsuo Yamada, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học tại Đại học Tokyo, cho biết. Nghiên cứu của nhóm có khả năng mang lại những cơ hội mới trong việc thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium.


    Hiệu suất Coulombic được nâng cao (CE, trục tung), có thể đạt được khi nâng cao thế oxy hóa-khử của kim loại liti (ELi / Li +, trục hoành), làm giảm động lực nhiệt động lực học để giảm điện phân ở bề mặt kim loại liti. Hình trong đại diện cho các đường cong oxy hóa-khử của hợp chất ferrocene (Fc / Fc +), được giới thiệu để ước tính sự biến thiên của thế oxy hóa-khử của kim loại liti trong các chất điện ly nhất định. Bằng cách so sánh thế oxy hóa-khử của kim loại lithium trong 74 chất điện phân khác nhau, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy mối tương quan giữa thế oxy hóa-khử và hiệu suất Coulombic. Dựa trên những phát hiện này, một số chất điện giải, cho phép hiệu suất Coulombic cao (cao tới 99,4%), đã được phát triển dễ dàng. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Yamada & Kitada., Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học, Đại học Tokyo
    Trong pin lithium-ion, ion lithium di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua chất điện phân trong quá trình sạc và ngược lại khi phóng điện. Bằng cách đưa vào các điện cực mật độ năng lượng cao, mật độ năng lượng của pin có thể được cải thiện. Trong bối cảnh đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ qua nhằm thay đổi điện cực âm từ than chì sang kim loại liti. Tuy nhiên, kim loại liti có khả năng phản ứng cao, làm giảm độ điện ly trên bề mặt của nó. Do đó, điện cực kim loại liti cho thấy hiệu suất Coulombic kém.

    Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển các chất điện phân chức năng và các chất phụ gia điện phân tạo thành một lớp màng bảo vệ bề mặt. Sự xen kẽ của chất điện phân rắn này có tác động đến sự an toàn và hiệu quả của pin lithium. Màng bảo vệ bề mặt ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp giữa chất điện phân và điện cực kim loại lithium, do đó làm chậm quá trình khử chất điện phân về mặt động học. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ về mối tương quan giữa interphase chất điện ly rắn và hiệu suất Coulombic.

    Các nhà khoa học biết rằng nếu họ cải thiện độ ổn định của interphase chất điện phân rắn, thì họ có thể làm chậm sự phân hủy chất điện phân và tăng hiệu suất Coulombic của pin. Nhưng ngay cả với các công nghệ tiên tiến, các nhà khoa học cũng khó phân tích trực tiếp hóa học giữa các pha của chất điện ly rắn. Hầu hết các nghiên cứu về interphase chất điện ly rắn đã được thực hiện bằng phương pháp gián tiếp. Những nghiên cứu này cung cấp bằng chứng gián tiếp, do đó khó phát triển kim loại lithium ổn định điện phân dẫn đến hiệu suất Coulombic cao.

    Thứ tự

    Nhóm nghiên cứu đã xác định rằng nếu họ có thể nâng cao thế oxy hóa-khử của kim loại lithium trong một hệ thống điện phân cụ thể, họ có thể giảm động lực nhiệt động lực học để giảm chất điện ly, và do đó đạt được hiệu suất Coulombic cao hơn. Chiến lược này hiếm khi được áp dụng trong việc phát triển pin bằng kim loại lithium. Atsuo Yamada cho biết: “Tiềm năng oxy hóa-khử nhiệt động lực học của kim loại lithium, thay đổi đáng kể tùy thuộc vào chất điện phân, là một yếu tố đơn giản nhưng bị bỏ qua ảnh hưởng đến hiệu suất pin kim loại lithium,” Atsuo Yamada cho biết.


    Tầm quan trọng tương đối của các bộ mô tả đối với thế oxy hóa-khử của kim loại liti thu được từ phân tích hồi quy bình phương nhỏ nhất (PLS). Mối tương quan giữa các giá trị thực được dự đoán và quan sát được của thế oxy hóa-khử của kim loại liti rất phù hợp, được thể hiện dưới dạng hình trong cùng với sai số bình phương trung bình gốc (RMSE). Nhiều dữ liệu liên quan đến cấu trúc dung dịch và đặc tính hóa lý của chất điện ly đã được thu thập bằng các phép tính toán MD và DFT, và ảnh hưởng của chúng đến thế oxy hóa-khử của kim loại lithium đã được phân tích định lượng bằng phân tích hồi quy dựa trên máy học. Một yếu tố cụ thể, trạng thái phối trí của Li + và anion FSI-, đã được tiết lộ như một yếu tố mô tả quan trọng nhất để xác định thế oxy hóa-khử của kim loại liti. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Yamada & Kitada., Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học, Đại học Tokyo
    Nhóm đã nghiên cứu khả năng oxi hóa - khử của kim loại liti trong 74 loại chất điện phân. Các nhà nghiên cứu đã đưa một hợp chất gọi là ferrocene vào tất cả các chất điện phân như một tiêu chuẩn nội bộ được IUPAC (Liên minh Hóa học Ứng dụng và Tinh khiết Quốc tế) khuyến nghị cho các điện thế điện cực. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có mối tương quan giữa khả năng oxy hóa-khử của kim loại lithium và hiệu suất Coulombic. Họ đã thu được hiệu suất Coulombic cao với khả năng oxy hóa-khử được nâng cao của kim loại lithium.

    Hướng tới công việc trong tương lai, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là khám phá cơ chế hợp lý đằng sau sự chuyển dịch thế oxy hóa-khử một cách chi tiết hơn. "Chúng tôi sẽ thiết kế chất điện phân đảm bảo hiệu suất Coulombic lớn hơn 99,95%. Hiệu suất Coulombic của kim loại lithium thấp hơn 99%, ngay cả với các chất điện phân tiên tiến. Tuy nhiên, cần ít nhất 99,95% để thương mại hóa pin lithium kim loại , "Atsuo Yamada nói.

    Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của Viện Công nghệ Nagoya.

    Zalo
    Hotline