Chiến lược thiết kế lớp xen kẽ cực dương lithium cho pin kim loại lithium ở trạng thái rắn
bởi Ingrid Fadelli, Tech Xplore
Sự phát triển của giao diện Li/lớp xen kẽ sau khi tế bào lắp ráp, tạo mầm Li, tăng trưởng Li và tước bỏ Li. Tín dụng: Wang và cộng sự.
Trong những thập kỷ qua, các kỹ sư và nhà hóa học đã nỗ lực phát triển các công nghệ pin ngày càng tiên tiến có thể giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp điện tử. Điều này đã dẫn đến sự xuất hiện của các loại pin mới, bao gồm cả pin thể rắn.
Pin toàn thể rắn (ASSB) là các tế bào pin bao gồm chất điện phân rắn nằm giữa hai điện cực. Những loại pin này, đặc biệt là pin lithium-kim loại thể rắn (ASSLB), có thể có mật độ năng lượng cao và độ an toàn cao hơn, giải quyết một số hạn chế của thiết kế pin lithium-ion (LiB) thông thường.
Mặc dù có những đặc tính thuận lợi nhưng ASSLB vẫn chưa được triển khai trên quy mô lớn. Điều này một phần là do sự phát triển của sợi nhánh Li và điện trở bề mặt cao của chúng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của chúng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland gần đây đã giới thiệu một nguyên tắc mới để thiết kế ASSLB an toàn và năng lượng cao. Nguyên tắc này, được nêu trong Nature Energy, có thể giúp phát triển pin nhiên liệu mạnh hơn và đáng tin cậy hơn cho xe điện và hệ thống robot lớn.
Zeyi Wang, tác giả đầu tiên của bài báo, nói với Tech Xplore: “Nỗ lực hiện tại nhằm giải quyết vấn đề dendrite lithium của pin thể rắn phụ thuộc vào các thử nghiệm thử và sai”. "Thay vì chỉ báo cáo một lớp xen kẽ duy nhất, bài viết này nhằm mục đích phát triển một nguyên tắc thiết kế giao diện có thể hướng dẫn việc chế tạo một loạt lớp xen kẽ. Đây là một cách để giải quyết triệt để vấn đề lithium dendrite trong pin thể rắn."
Mục tiêu chính trong nghiên cứu gần đây của Wang và các đồng nghiệp là xác định một chiến lược đầy hứa hẹn nhằm giảm thiểu sự phát triển của Li-dendrite trong ASSLB. Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất sử dụng một lớp đặc biệt giữa cực dương lithium và chất điện phân rắn trong pin.
Wang giải thích: “Việc thêm một lớp đặc biệt giữa cực dương lithium và chất điện phân rắn có thể giải quyết được các vấn đề về sợi nhánh lithium, nhưng các đặc tính của lớp xen kẽ có tầm quan trọng then chốt để đạt được điều này”. "Nguyên tắc thiết kế của chúng tôi liên quan đến độ ổn định của pin với một số đặc tính chính của lớp xen kẽ. Cụ thể, nó nhấn mạnh rằng lớp xen kẽ phải có tính kỵ nước (tức là bị đẩy lùi bởi kim loại lithium), dẫn điện ion cao và dẫn điện nhẹ và xốp."
Là một phần của nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên tắc thiết kế của họ để tạo ra pin Li4SiO4@LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2/Li6PS5Cl/20 µm-Li với dung lượng diện tích là 2,2 mAh cm-2. Trong các thử nghiệm ban đầu, các tế bào pin này được phát hiện hoạt động rất tốt, duy trì được 82,4% công suất sau 350 chu kỳ hoạt động ở 60°C với tốc độ 0,5 C.
Wang cho biết: “Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã giới thiệu nhiều giao diện để ức chế dendrite lithium, nhưng cơ chế cơ bản của chúng không được giải thích rõ ràng và thiết kế không thể khái quát hóa”. “Thành công trong nguyên tắc thiết kế của chúng tôi là nó mở ra những cơ hội mới để phát triển loại pin an toàn”.
Đáng chú ý, nguyên tắc thiết kế do Wang và các đồng nghiệp của ông đưa ra có thể được áp dụng cho nhiều loại ASSB, giúp ngăn chặn sự hình thành Li-dendrite và do đó nâng cao hiệu suất của pin. Do đó, nó có thể sớm mở đường cho việc phát triển một loạt công nghệ pin an toàn và hiệu suất cao chứa chất điện phân rắn, có thể cung cấp năng lượng cho xe điện và các thiết bị điện tử lớn khác.
Wang nói thêm: “Trong các nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ thử nghiệm nhiều giao diện hơn để sửa đổi và xác minh nguyên tắc thiết kế”. "Sau đó, chúng tôi sẽ tối ưu hóa vật liệu của giao diện dựa trên các nguyên tắc thiết kế. Chúng tôi dự định mở rộng quy mô sản xuất và cuối cùng là thử nghiệm thiết bị trên xe cộ trong tương lai."
