Pin lithium-ion (Li-ion), pin sạc có thể lưu trữ năng lượng thông qua quá trình khử ion lithium có thể đảo ngược, là một trong những công nghệ pin phổ biến nhất nhờ hiệu suất vượt trội và vòng đời kéo dài. Nhiều công nghệ hiện có và mới nổi hiện đang được cung cấp bởi các loại pin này, bao gồm cả điện thoại thông minh, máy tính xách tay và xe điện.
Bất chấp những ưu điểm của chúng, pin Li-ion đang ngày càng trở nên đắt đỏ, vì chúng chứa các vật liệu có nhu cầu cao và khó tìm được số lượng lớn, chẳng hạn như coban (Co) và niken (Ni). Do đó, các nhà sản xuất pin và các chuyên gia năng lượng đã cố gắng xác định các thiết kế thay thế cần ít hoặc không cần coban và niken, vì chúng có thể giảm chi phí của pin Li-ion và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học California Irvine và các viện nghiên cứu khác trên khắp Hoa Kỳ gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để tạo ra catốt không chứa coban cho pin Li-ion mà không ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của pin. Nghiên cứu của họ, được đăng trên tạp chí Nature Energy , được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Phương tiện của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
“Dự án của chúng tôi bắt đầu vào năm 2018 và kết thúc vào tháng 3 năm 2023,” Huolin Xin, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Tech Xplore. "Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu, toàn bộ ngành công nghiệp đang nghiên cứu catốt Ni siêu cao để thay thế hoặc giảm mức sử dụng Co. Vào năm 2019, vấn đề Ni trở thành điểm nhức nhối tiếp theo của ngành xe điện đã hình thành trong tâm trí tôi, bởi vì tôi nhận thấy rằng giá của Ni đã tăng lên bằng một phần ba giá của Co. Trong cuộc họp đánh giá dự án vào cuối năm 2019, thay mặt nhóm của tôi, tôi đã đưa ra một số mục tiêu cho năm mới, một trong số đó là tạo ra một mức giá Ni thấp , Mn cao, cực âm đồng tự do để vượt qua điểm đau Ni."
Vào năm 2020, Xin và các đồng nghiệp của mình đã nghĩ ra một chiến lược mới để đạt được độ biến dạng bằng 0 trong vật liệu hoạt động catốt (CAM) có hàm lượng Ni (Ni-80%) cao. Chiến lược của họ dựa trên cái gọi là pha tạp phức hợp nồng độ, một kỹ thuật thay đổi tính chất của vật liệu bằng cách sử dụng các chất hóa học cụ thể (tức là chất pha tạp).
Xin giải thích : “Sau khi nghiên cứu trước đây được công bố trên tạp chí Nature , tôi đã nói với nhóm của mình rằng chúng ta nên thử áp dụng chiến lược này để tạo ra một CAM có hàm lượng Ni thấp. "Rất thành công, chúng tôi đã nhanh chóng chỉ ra rằng chiến lược pha tạp phức hợp nồng độ có thể cho phép CAM có hàm lượng Ni thấp, Mn cao khả thi về mặt thương mại.
Chiến lược doping phức hợp nồng độ do Xin và các đồng nghiệp của ông đề xuất có một số ưu điểm đáng chú ý. Thông qua việc trộn cation thấp, người ta thấy rằng nó có thể tạo ra dung lượng cao 190 mAh/g ở C/10 và năng lượng riêng cao 700 wh/kg ở C/3 trong vật liệu catốt, cũng như độ ổn định nhiệt cao và pin dài vòng đời.
“Chiến lược đề xuất của chúng tôi là chi phí thấp vì nó không chứa coban, hàm lượng Ni giảm 50% và Mn, nguyên liệu chính mà chúng tôi sử dụng, có giá rẻ,” Xin nói. "Chúng tôi đã chứng minh khả năng trộn cation thấp giúp giải phóng dung lượng cao (190 mAh/g ở C/10) và năng lượng riêng cao (700 wh/kg ở C/3), độ ổn định nhiệt cao vượt trội so với NMC-532 và chu kỳ dài tuổi thọ đạt tới >4000 chu kỳ, giúp nó cạnh tranh với các tế bào LFP."
Trái ngược với các chiến lược được đề xuất khác nhằm giảm sự phụ thuộc của pin Li-ion vào Co và Ni, phương pháp do Xin và các đồng nghiệp giới thiệu không yêu cầu lớp phủ trên bề mặt vật liệu. Điều này làm cho nó dễ dàng hơn để thực hiện trên quy mô lớn.
Trong các thử nghiệm ban đầu, catốt không chứa đồng được tạo ra bằng cách sử dụng chiến lược của nhóm đã hoạt động rất tốt, cho phép chế tạo pin Li-ion ổn định và hiệu quả với vòng đời dài. Trong tương lai, nó có thể được sử dụng để tạo ra các loại pin Li-ion giá cả phải chăng hơn cho nhiều ứng dụng, đồng thời cũng có khả năng truyền cảm hứng cho việc giới thiệu các phương pháp dựa trên doping tương tự để tạo ra pin không có coban.
“Chúng tôi hiện đang làm việc trên các CAM thế hệ tiếp theo thậm chí còn có hàm lượng Ni/Co thấp hơn, điều này sẽ giúp giảm chi phí vật liệu CAM một lần nữa,” Xin nói thêm.
