Chất điện phân polyme rắn được gia cố bằng chất nền PET/PVDF hai lớp giúp cải thiện hiệu suất của pin kim loại lithium ở trạng thái rắn
bởi Đại học Shinshu
Nghiên cứu này tiết lộ một chiến lược đầy hứa hẹn để chế tạo chất điện phân polyme đáng tin cậy cho pin hoàn toàn ở trạng thái rắn. Ảnh: Ick Soo Kim, ĐẠI HỌC SHINSHU
Lưu trữ năng lượng hiệu quả là điều tối quan trọng đối với quá trình chuyển đổi của xã hội sang năng lượng tái tạo. Pin kim loại lithium (LMB) có khả năng tăng gấp đôi lượng năng lượng được lưu trữ trong một lần sạc so với pin lithium ion (LIB) hiện tại, nhưng sự phát triển dendrite lithium và mức tiêu thụ chất điện phân trong các công nghệ LMB hiện tại đang cản trở hiệu suất của pin.
Chất nền cho chất điện phân polyme rắn (SPE) đưa ra một giải pháp tiềm năng cho các hạn chế LMB hiện tại, nhưng SPE yêu cầu sự tối ưu hóa của riêng chúng trước khi tích hợp vào các hệ thống LMB (ASSLMB) hoàn toàn ở trạng thái rắn.
Một nhóm các nhà khoa học hàng đầu từ Đại học Shinshu, Đại học Kyoto và Đại học Sungkyunkwan gần đây đã báo cáo về sự phát triển của màng vi sợi/polyvinylidene fluoride (PVDF) hai lớp, màng vi sợi polyetylen terephthalate (PET) sử dụng phương pháp ép cơ học, hoạt động như một chất phân tách LIB hệ thống ngăn ngừa đoản mạch giữa các điện cực.
Thiết bị phân tách đã chứng minh khả năng thấm ướt được cải thiện hoặc khả năng chất lỏng điện phân chứa ion lithi tiếp xúc với các điện cực và độ ổn định nhiệt của hệ thống pin được cải thiện. Điều quan trọng là màng hai lớp này cũng có thể được sử dụng trong các SPE của hệ thống LMB để ngăn chặn sự phát triển bất lợi của dendrite lithium và lỗi cấu trúc.
Trong nghiên cứu hiện tại của họ, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một chất nền PET/PVDF (nPPV) hai lớp, không dệt tương tự bằng cách sử dụng phương pháp quay điện để ngăn chặn sự hình thành các khoảng trống và nếp gấp giữa hai lớp làm giảm tuổi thọ của lớp PVDF. Nghiên cứu đã mô tả các chất điện phân polyme rắn được gia cố bằng nPPV (nPPV-SPE) về các đặc tính cơ học, nhiệt và điện hóa, đồng thời thử nghiệm đã xác nhận rằng chất nền đã cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ thống ASSLMB.
Nhóm đã công bố kết quả của họ trực tuyến trên Journal of Power Sources.
"Xem xét hiệu suất chu kỳ kém (chu kỳ phóng điện) của SPE xuất phát từ tính chất cơ học và nhiệt thấp, dự án này tập trung vào việc chế tạo SPE được gia cố bằng chất nền hai lớp bao gồm một lớp vải không dệt PET và một lớp sợi nano PVDF để Ick Soo Kim, tác giả tương ứng của nghiên cứu và là giáo sư tại Nhóm Nghiên cứu Công nghệ Nano Fusion tại Viện Kỹ thuật Sợi (IFES) tại Đại học Shinshu, cho biết: cải thiện tính ổn định cấu trúc và do đó hiệu suất chu kỳ của SPE.
Điều quan trọng là, SPE được tạo thành từ ma trận polyme và muối lithium thể hiện các đặc tính như tính linh hoạt và khả năng xử lý tương thích với các điện cực LMB. Phương pháp quay điện cũng loại bỏ các nếp gấp và khoảng trống được tạo ra bởi phương pháp ép giữa các lớp PET và PVDF, cung cấp một phương pháp sản xuất màng sợi nano đơn giản, dễ dàng và thích ứng.
Kim cho biết: “Các sợi nano được sản xuất bằng thiết bị quay điện quy mô công nghiệp của LEMON CO., Ltd. đảm bảo kích thước lỗ nhỏ và đồng đều với độ xốp cao, do đó có thể chứa các vật liệu polyme và muối lithium mà không ảnh hưởng đến sự khuếch tán ion và cải thiện độ ổn định oxy hóa điện hóa”.
Đối với nghiên cứu này, các sợi nano PVDF được quay điện trực tiếp lên lớp PET vi sợi để tạo ra vật liệu lớp kép chắc chắn hơn. Độ ổn định cấu trúc được cải thiện cho phép SPE chịu được các phản ứng hóa học xảy ra trong hệ thống trong các chu kỳ sạc và sạc lại dài hạn.
Kim cho biết: “Chất nền hai lớp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và nhiệt của chất điện phân polyme rắn, cho phép tế bào hoạt động hơn 2000 giờ. Ngoài ra, độ bền kéo cao của vật liệu ngăn chặn sự phát triển dendrite lithium, một trong những thách thức đáng kể của các hệ thống LMB.
Bất chấp những tiến bộ trong công nghệ SPE, nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng cần phải nghiên cứu thêm để nhận ra tiềm năng của chất điện phân trạng thái rắn (SSE) như SPE.
"Sự ổn định cấu trúc được cải thiện của SPE đảm bảo tuổi thọ dài và sử dụng pin lithium an toàn, nhưng hiệu suất tốc độ và tính di động lithium của SPE vẫn kém hơn so với chất điện phân lỏng trong pin lithium ion. Bước tiếp theo là cải thiện độ dẫn ion để đáp ứng các yêu cầu sạc và xả nhanh," Kim nói. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng các chất nền bổ sung sẽ được nghiên cứu để tăng cường hơn nữa các đặc tính điện hóa của SPE và nâng cao công nghệ hệ thống ASSLMB.
