Chất điện phân mới cho phép pin lithium-metal sạc nhanh, ổn định và an toàn
Tác giả: Ingrid Fadelli, Tech Xplore
Đặc điểm cấu trúc và thành phần SEI. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01733-9
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển các công nghệ pin ngày càng tiên tiến có thể sạc nhanh hơn và lưu trữ nhiều năng lượng hơn, đồng thời vẫn an toàn và ổn định theo thời gian. Pin lithium-metal (LMB), có chứa cực dương gốc lithium-metal, được coi là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion (LiB), hiện là loại pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất.
Một lợi thế chính của LMB là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn đáng kể so với LiB, điều này có thể có lợi cho xe điện và các thiết bị điện tử lớn hoặc tiên tiến khác. Mặc dù có tiềm năng như vậy, nhưng cho đến nay, những loại pin này đã chứng minh là kém ổn định và an toàn hơn LiB, đồng thời sạc cũng tương đối chậm; những hạn chế cho đến nay đã ngăn cản việc áp dụng rộng rãi của chúng.
Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và các viện khác gần đây đã thiết kế các chất điện phân mới dựa trên các muối hữu cơ đối xứng, có thể giúp tăng cường hiệu suất của LMB. Các chất điện phân mới được thiết kế của họ, được giới thiệu trong một bài báo trên Nature Energy, đã được phát hiện là cải thiện độ ổn định và tốc độ sạc của LMB, ngăn ngừa sự hình thành các dendrite (các cặn lithium khiến hiệu suất của pin giảm theo thời gian).
"Việc hiện thực hóa LMB đòi hỏi một chất điện phân kết hợp tính không bắt lửa với độ ổn định điện hóa cao", Akito Sakai, Yosuke Matsumoto và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ. "Mặc dù các công nghệ điện phân hiện tại đã nâng cao khả năng tuần hoàn của LMB, nhưng việc chế tạo chất điện phân hợp lý có khả năng giải quyết đồng thời hiệu suất và độ an toàn tốc độ cao vẫn là một thách thức lớn. Chúng tôi báo cáo một khái niệm thiết kế chất điện phân để cho phép LMB thực tế, an toàn và tuần hoàn nhanh".
Để tạo ra chất điện phân, các nhà nghiên cứu đã thêm một tinh thể nhựa ion gọi là 1,1-diethylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide (Pyr2(2)FSI) vào các chất điện phân pin thông thường khác nhau. Muối hữu cơ đối xứng thu được được phát hiện có thể thay đổi tương tác giữa các ion lithium và các hạt tích điện khác, cuối cùng cho phép chúng di chuyển dễ dàng bên trong pin.
Phát
Thử nghiệm ngọn lửa của E-Pyr2(2)FSI. Tín dụng: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01733-9
"Chúng tôi đã tạo ra các cấu trúc dung môi anion–Li+ thu nhỏ bằng cách đưa các muối hữu cơ đối xứng vào nhiều dung môi điện phân khác nhau", Sakai, Matsumoto và các đồng nghiệp của họ đã viết. "Những cấu trúc này thể hiện độ dẫn ion cao, rào cản phá dung môi thấp và ổn định giao diện".
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất điện phân của họ làm giảm cái gọi là rào cản phá dung môi. Kết quả là, chúng giúp các ion lithium dễ dàng tiếp cận các điện cực của pin hơn, điều này có thể tác động tích cực đến tốc độ sạc và tuổi thọ chung của pin.
Hơn nữa, các chất điện phân mới thúc đẩy sự hình thành một lớp bảo vệ ổn định, được gọi là pha điện phân rắn (SEI) trên cực dương kim loại lithium. Lớp bảo vệ này ngăn ngừa các phản ứng hóa học không mong muốn và sự tích tụ của lithium, khiến pin bị phân hủy theo thời gian.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm chất điện phân của họ trong một loạt các thử nghiệm, đưa chúng vào LMB và phát hiện ra rằng chúng cải thiện độ ổn định và tốc độ tuần hoàn của pin. Ngoài ra, chất điện phân không bắt lửa, chống quá nhiệt tốt và an toàn hơn nhiều so với nhiều chất điện phân khác đã được giới thiệu trong quá khứ, điều này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng thực tế trong tương lai.
"Thiết kế chất điện phân của chúng tôi cho phép chu kỳ ổn định, nhanh chóng của LMB thực tế với độ ổn định cao (tế bào LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 (Li dư thừa gấp đôi): 400 chu kỳ) và mật độ công suất cao (tế bào túi: 639,5 W kg−1)", các nhà nghiên cứu viết. "Hơn nữa, tế bào túi Li-kim loại vẫn sống sót sau khi bị đinh đâm thủng, cho thấy độ an toàn cao của nó. Thiết kế chất điện phân của chúng tôi cung cấp một phương pháp khả thi cho LMB an toàn, chu kỳ nhanh".
