Chiến lược mạ kim loại dẫn hướng mặt mới cải thiện độ ổn định của pin magie không anode
của Đại học Hanyang
Sử dụng kim loại Zn định hướng mặt, với bề mặt được đánh bóng lý hóa, giảm thiểu năng lượng bề mặt và các khuyết tật bề mặt, dẫn đến sự phát triển magie đồng đều theo chiều ngang. Điều này ngăn ngừa sự hình thành dendrite và cải thiện độ ổn định của pin kim loại magie không anode. Nguồn: Hee-Dae Lim / Đại học Hanyang
Pin kim loại không anode là một thiết kế mới thú vị, trong đó các anode đúc sẵn được loại bỏ để tối đa hóa mật độ năng lượng. Ví dụ, trong pin kim loại magie (Mg), thay vì bắt đầu với anode Mg, chỉ sử dụng một bộ thu dòng điện bằng kim loại trần, thường là đồng (Cu) hoặc kẽm (Zn), làm mặt anode.
Khi pin được sạc lần đầu, Mg từ cực âm lắng đọng trực tiếp lên bộ thu này, tạo thành một lớp Mg mỏng đóng vai trò là anode. Điều này tránh được việc dư thừa vật liệu anode, giúp pin nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn và rẻ hơn. Thật không may, những loại pin này lại gặp vấn đề hình thành dendrite, ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng, độ ổn định của pin và gây ra nguy cơ đoản mạch, hạn chế ứng dụng thực tế.
Hiện nay, một nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Hee-Dae Lim từ Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Hanyang, Hàn Quốc dẫn đầu đã phát triển một chiến lược mạ kim loại dẫn hướng theo mặt mới để giải quyết vấn đề này.
"Chúng tôi đã đề xuất một chiến lược tinh thể học để đạt được sự lắng đọng Mg có kiểm soát bằng cách sử dụng vật chủ Zn định hướng theo mặt, với bề mặt được đánh bóng lý hóa", Tiến sĩ Lim giải thích.
Nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Thông thường, vật liệu thu dòng điện được sử dụng ở dạng đa tinh thể, có các hạt định hướng ngẫu nhiên và mật độ ranh giới hạt cao. Hạt là những vùng nhỏ trong kim loại, nơi các nguyên tử được sắp xếp theo một hướng nhất định. Ranh giới hạt tạo ra bề mặt không bằng phẳng và các 'điểm nóng' nơi các nguyên tử Mg tích tụ trong quá trình mạ, dẫn đến sự phát triển Mg theo chiều dọc và cuối cùng là các dendrite.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng ba phương pháp thiết kế chính để giải quyết vấn đề này.
Đầu tiên, họ chọn Zn làm kim loại chủ, có cấu trúc tương tự Mg.
Thứ hai, họ thiết kế vật chủ Zn để phơi sáng chọn lọc bề mặt (002) ổn định về mặt nhiệt động lực học, tạo điều kiện cho Mg lan tỏa nhanh chóng và đều trên bề mặt. Để đạt được bề mặt (002) này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành ủ nhiệt cho lá Zn trần (B-Zn).
Thứ ba, để giảm thiểu tác động của ranh giới hạt, chất nền B-Zn(002) thu được đã được khắc ion phản ứng, tạo ra P-Zn(002) với bề mặt được đánh bóng lý hóa.
Kết quả là, trong các thử nghiệm điện hóa, nó đã ngăn chặn hiệu quả sự hình thành dendrite và cải thiện độ ổn định của pin, nhờ sự phát triển đồng đều theo chiều ngang của Mg. Cụ thể, một cell Mg hoàn toàn không có anot với P-Zn(002) vẫn giữ được 87,58% dung lượng ban đầu sau hơn 900 chu kỳ ở mật độ dòng điện cao 200 mA g-1, cao hơn nhiều so với điều kiện vận hành thông thường.
"Nền tảng kim loại Mg dẫn hướng theo mặt của chúng tôi có thể dẫn đến sự phát triển của pin kim loại Mg thế hệ tiếp theo với mật độ năng lượng cao, rất có giá trị cho cơ sở hạ tầng lưới điện thông minh dựa trên năng lượng tái tạo sắp tới", Tiến sĩ Lim nhận xét.
Bước đột phá này cho thấy cách kiểm soát tinh thể học có thể giúp đạt được bề mặt anode ổn định, mở đường cho pin kim loại Mg không có anode thực tế.
Thông tin thêm: Hee Seung Ryu và cộng sự, Mạ kim loại trong mặt phẳng dẫn hướng theo mặt thông qua khuếch tán bề mặt tăng tốc trong pin kim loại Mg, Vật liệu Năng lượng Tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/aenm.202503832
Thông tin tạp chí: Vật liệu Năng lượng Tiên tiến
Được cung cấp bởi Đại học Hanyang
