Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp điện tử, các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu đang cố gắng không ngừng cải thiện hiệu suất của công nghệ pin. Pin kim loại lithium (Li), pin có cực dương Li kim loại, là một trong những giải pháp pin được biết đến và nghiên cứu rộng rãi nhất.
Khung thiết kế cho HEE. a, Sơ đồ minh họa sự cân bằng rõ ràng giữa độ dẫn ion và độ ổn định điện hóa trong việc điều chỉnh cường độ hòa tan. Vòng tròn màu xám, cụm riêng lẻ. b, Khái niệm thiết kế tăng entropy hòa tan để cải thiện quá trình hòa tan ion và tăng cường độ dẫn ion. Gsolv, Hsolv và Ssolv lần lượt đại diện cho năng lượng tự do hòa tan, entanpy và entropy. c, Sự đa dạng phân tử của HEE làm tăng entropy hòa tan, làm thay đổi trạng thái cân bằng nhiệt động lực học để thúc đẩy sự phân ly ion và ngăn chặn sự phân cụm. Hình vuông lớn đại diện cho hệ thống điện phân. d, HEE có cụm ion nhỏ hơn LEE. Vòng tròn lớn tượng trưng cho hệ thống điện phân. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01280-1
Mặc dù những loại pin này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ nhưng các nhà nghiên cứu gần đây đang cố gắng cải thiện hiệu suất của chúng bằng cách sử dụng các kỹ thuật công nghệ nano cũng như các chất điện phân rắn hoặc lỏng thay thế. Việc thiết kế các chất điện phân mới đầy hứa hẹn có thể giúp tăng cường đáng kể độ ổn định và kéo dài vòng đời của pin kim loại Li.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để thiết kế chất điện phân có entropy cao cho pin kim loại Li. Chiến lược này, được nêu trong một bài báo trên tạp chí Nature Energy , cho phép họ xác định các chất điện phân đầy hứa hẹn giúp cải thiện đáng kể độ ổn định chu kỳ của pin ở mật độ dòng điện cao.
Sang Cheol Kim, Jingyang Wang và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Những tiến bộ gần đây trong chất điện phân đã cải thiện đáng kể khả năng chu kỳ bằng cách tăng cường độ ổn định điện hóa ở các bề mặt điện cực, nhưng đồng thời đạt được độ dẫn ion cao vẫn còn nhiều thách thức”. "Chúng tôi báo cáo một chiến lược thiết kế chất điện phân cho pin kim loại lithium nâng cao bằng cách tăng tính đa dạng phân tử trong chất điện phân, về cơ bản dẫn đến chất điện phân có entropy cao."
Mục tiêu chính trong nghiên cứu gần đây của Kim, Wang và các đồng nghiệp của họ là tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các chất điện phân có khả năng vận chuyển ion được cải thiện mà không ảnh hưởng đến tính ổn định của pin kim loại Li. Để làm điều này, họ đã giới thiệu một chiến lược có thể được sử dụng để điều chỉnh cấu trúc của dung môi trong các chất điện phân hòa tan yếu với sự phân cụm ion rộng rãi trong đó.
Là một phần của nghiên cứu, họ đã áp dụng chiến lược được đề xuất bằng cách sử dụng kỹ thuật tán xạ tia X và chạy mô phỏng động lực phân tử (MD) (tức là mô phỏng các hệ thống phân tử dựa trên máy tính). Điều này cho phép họ xác định các đặc điểm khiến chất điện phân cho pin kim loại Li trở nên đặc biệt thuận lợi, cả về độ ổn định và độ dẫn ion.
Kim, Wang và các nhà nghiên cứu của họ viết: “Chúng tôi thấy rằng, trong các chất điện phân hòa tan yếu, hiệu ứng entropy làm giảm sự phân cụm ion trong khi vẫn bảo toàn các cấu trúc hòa tan giàu anion đặc trưng, được đặc trưng bởi sự tán xạ tia X dựa trên synchrotron và mô phỏng động lực phân tử” . trong bài báo của họ.
"Các chất điện phân với các cụm có kích thước nhỏ hơn thể hiện sự cải thiện gấp đôi về độ dẫn ion so với các chất điện phân hòa tan yếu thông thường, cho phép chu kỳ ổn định ở mật độ dòng điện cao lên đến 2C (6,2 mA cm −2 ) trong LiNi 0,6 Mn 0,2 Co 0,2 ( NMC622) không có cực dương )||Tế bào túi Cu. Hiệu quả của chiến lược thiết kế được xác minh bằng những cải tiến về hiệu suất trong ba hệ thống điện phân có khả năng hòa tan yếu khác nhau."
Phương pháp mới do Kim, Wang và các đồng nghiệp của họ đề xuất có thể sớm giúp thiết kế nhiều loại chất điện phân đầy hứa hẹn cho pin kim loại Li, góp phần vào nỗ lực cải thiện hiệu suất của chúng. Những loại pin hoạt động tốt hơn này lần lượt cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị điện tử, bao gồm xe điện hoặc xe hybrid , thiết bị y tế và các công nghệ tiên tiến khác.
Các nhà nghiên cứu viết: “Chúng tôi hình dung rằng công việc này có thể thúc đẩy nỗ lực phát triển HEE có thể đẩy pin kim loại lithium đến gần hơn với các ứng dụng thực tế và phát triển rộng rãi các giải pháp entropy cao với các đặc tính ưu việt cho các ứng dụng khác nhau”.
