Chất điện phân không hòa tan nâng cao hiệu suất của pin dựa trên điện cực hữu cơ
của JooHyeon Heo, Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Sơ đồ minh họa LIB dựa trên điện cực hữu cơ sử dụng các loại chất điện phân khác nhau. Năng lượng tương tác mạnh giữa ethylene glycol dimethyl ether (DME) và điện cực hữu cơ gây ra sự hòa tan của điện cực hữu cơ, ảnh hưởng đến độ ổn định của điện cực. Ngược lại, TTE trong LHCE làm giảm năng lượng tương tác giữa chất điện phân và điện cực hữu cơ, do đó ngăn chặn sự hòa tan. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã đi tiên phong trong phương pháp nâng cao đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của pin dựa trên điện cực hữu cơ. Những phát hiện này hứa hẹn sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin thân thiện với môi trường và mở đường cho những tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực này.
Các điện cực hữu cơ từ lâu đã được công nhận về tính tiết kiệm chi phí và tính phong phú tự nhiên, khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các vật liệu pin lithium-ion truyền thống. Tuy nhiên, việc hòa tan các vật liệu hoạt tính này trong chất điện phân đã đặt ra một thách thức đáng kể, hạn chế ứng dụng thực tế của chúng trong pin. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu chất điện phân pha loãng là chất điện phân không hòa tan, giảm thiểu một cách hiệu quả các hạn chế vật lý của chất điện phân nồng độ cao (HCE) và ngăn chặn sự hòa tan của các điện cực hữu cơ.
Nghiên cứu tập trung vào perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA), một vật liệu điện cực hữu cơ nổi bật và đã chứng minh những cải tiến đáng kể về khả năng duy trì công suất và hiệu suất tốc độ khi sử dụng chất điện phân pha loãng. Trải qua hơn 1.000 chu kỳ, pin dựa trên PTCDA đã đạt được khả năng duy trì công suất ấn tượng 91% ở mức 1.000 mA g−1.
Thông qua sự kết hợp giữa các phép đo điện hóa và quang phổ, cũng như mô phỏng động lực phân tử, nhóm đã ngăn chặn thành công sự hòa tan của vật liệu hoạt động và giảm thiểu hiệu ứng đưa đón bất lợi, từ đó ngăn ngừa mất công suất.
Tác dụng ức chế sự hòa tan của các điện cực hữu cơ trong chất điện phân pha loãng. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Nghiên cứu này trình bày một chiến lược đầy hứa hẹn để đạt được pin lithium-ion dựa trên điện cực hữu cơ có khả năng đảo ngược cao, mở ra những khả năng mới để phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả và bền vững hơn. Bằng cách sử dụng chất điện phân không hòa tan, nhóm nghiên cứu đã khắc phục được những hạn chế liên quan đến vật liệu điện cực hữu cơ và chứng minh được con đường hướng tới việc kéo dài tuổi thọ của những loại pin thân thiện với môi trường này.
Nghiên cứu có sự tham gia của giáo sư Won-Jin Kwak tại Trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học tại UNIST phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Đại học Hanyang. Giáo sư Kwak cho biết: "Việc phát triển các chất điện phân không hòa tan cung cấp một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn quá trình rửa giải của vật liệu điện cực hữu cơ mà không ảnh hưởng đến công suất hoặc sản lượng. Nghiên cứu này thể hiện một bước quan trọng hướng tới các ứng dụng thực tế của pin dựa trên điện cực hữu cơ".
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận thêm những phát hiện của họ thông qua các phương pháp tính toán và xác minh thực nghiệm, xác nhận rằng việc sử dụng chất điện phân đã phát triển đã dẫn đến việc ngăn chặn quá trình rửa giải một cách hiệu quả. Trong hơn 1.000 thử nghiệm sạc/xả, hơn 80% dung lượng pin được giữ lại, trái ngược hoàn toàn với các chất điện phân thông thường cho thấy dung lượng dưới 50% chỉ sau 20 chu kỳ sạc/xả.
