Cơ chế phân hủy bề mặt ẩn được phát hiện trong catốt của pin lithium-ion
của Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang
(a) Những thay đổi cấu trúc không thể đảo ngược đã được quan sát thấy trên bề mặt sau 150 chu kỳ sạc/xả trong phạm vi điện áp mà phản ứng chuyển đổi gần xảy ra. (b) Cấu trúc phân lớp ban đầu vẫn được bảo toàn ngay cả sau 150 chu kỳ trong phạm vi điện áp ổn định hơn. (c) Khi các cell loại túi niken cao được tuần hoàn hơn 250 lần ở mức 1,9 V (nơi xảy ra phản ứng chuyển đổi gần) và 3,15 V (nơi không xảy ra), khả năng duy trì dung lượng được cải thiện đáng kể chỉ bằng cách điều chỉnh điện áp cắt xả. (d) Tăng điện áp xả có hiệu quả ngăn chặn tình trạng mất oxy và các phản ứng phụ tiếp theo ở bề mặt, dẫn đến giảm đáng kể quá trình giải phóng khí (CO, CO2, CH4 và C2H4). Tín dụng: POSTECH
Một nhóm nghiên cứu đã xác định được một cơ chế phân hủy trước đây chưa được biết đến xảy ra trong quá trình sử dụng pin lithium-ion. Những phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Nhóm nghiên cứu bao gồm nhà nghiên cứu Seungyun Jeon và Tiến sĩ Gukhyun Lim, do Giáo sư Jihyun Hong từ Khoa Kỹ thuật Pin tại POSTECH (Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang) dẫn đầu, hợp tác với nhóm của Giáo sư Jongsoon Kim tại Đại học Sungkyunkwan.
Pin lithium-ion, loại pin thiết yếu cho xe điện, thường sử dụng catốt ba thành phần niken-mangan-coban (NMC). Để giảm chi phí, xu hướng gần đây của ngành là tăng hàm lượng niken trong khi giảm thiểu việc sử dụng coban đắt tiền. Tuy nhiên, hàm lượng niken cao hơn có xu hướng rút ngắn tuổi thọ chu kỳ tổng thể của pin.
Cho đến nay, sự suy giảm hiệu suất của pin chủ yếu là do sạc quá mức. Tuy nhiên, lời giải thích này không tính đến sự suy giảm xảy ra trong điều kiện điện áp có vẻ ổn định. Nhóm nghiên cứu tập trung vào quá trình xả - hoạt động thực tế của pin - để giải quyết bí ẩn này.
Họ phát hiện ra rằng khi pin được sử dụng trong thời gian dài mà không sạc lại, một hiện tượng được gọi là phản ứng chuyển đổi gần đúng sẽ xảy ra trên bề mặt catốt. Trong phản ứng này, oxy thoát ra khỏi bề mặt và kết hợp với liti để tạo thành liti oxit (Li2O) trong quá trình xả, đặc biệt là ở mức 3,0V. Hợp chất này tiếp tục phản ứng với chất điện phân, tạo ra khí và đẩy nhanh quá trình phân hủy pin.
Phản ứng chuyển đổi gần đúng được phát hiện là nghiêm trọng hơn ở catốt niken cao. Nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng khi pin được sử dụng cho đến khi hầu hết dung lượng của chúng cạn kiệt, tác động của quá trình phân hủy, bao gồm cả hiện tượng phồng pin, trở nên ngày càng rõ rệt.
Quan trọng là nghiên cứu cũng tiết lộ một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả. Nhóm nghiên cứu đã kéo dài đáng kể tuổi thọ chu kỳ bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng pin và tránh xả hoàn toàn. Trong các thí nghiệm với pin niken cao (chứa hơn 90% niken), những pin được xả đủ sâu để kích hoạt phản ứng chuyển đổi gần đúng chỉ giữ lại 3,8% dung lượng sau 250 chu kỳ, trong khi pin được sử dụng có kiểm soát vẫn duy trì được 73,4% dung lượng ngay cả sau 300 chu kỳ.
Giáo sư Jihyun Hong, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: "Tác động của quá trình xả - quá trình thực tế khi sử dụng pin - cho đến nay phần lớn vẫn bị bỏ qua. Nghiên cứu này đưa ra một hướng quan trọng để phát triển pin có tuổi thọ cao hơn".
