Cực âm pin lithium-ion tiết kiệm chi phí, dung lượng cao và có thể tái sử dụng
của Đại học Hokkaido
Oxit sắt siêu giàu lithium dành cho catốt tiết kiệm chi phí, công suất cao và có thể tuần hoàn. Tín dụng: Đồ họa khoa học. Công ty
Chu kỳ sạc-nạp của oxit sắt siêu giàu lithium, cực âm hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí cho pin lithium-ion thế hệ mới, có thể được cải thiện đáng kể bằng cách pha tạp các nguyên tố khoáng sẵn có.
Công suất năng lượng và chu trình sạc-nạp lại (khả năng quay vòng) của lithium-iron-oxide, một vật liệu cực âm tiết kiệm chi phí cho pin lithium-ion có thể sạc lại, được cải thiện bằng cách bổ sung một lượng nhỏ nguyên tố dồi dào. Sự phát triển này do các nhà nghiên cứu tại Đại học Hokkaido, Đại học Tohoku và Viện Công nghệ Nagoya đạt được và được báo cáo trên tạp chí ACS Materials Letters.
Pin lithium-ion đã trở nên không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, được sử dụng trong vô số ứng dụng bao gồm điện thoại di động, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng lớn.
Một nỗ lực nghiên cứu liên tục đang được tiến hành để nâng cao năng lực, hiệu quả và tính bền vững của họ. Một thách thức lớn là giảm sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên quý hiếm và đắt tiền. Một cách tiếp cận là sử dụng vật liệu hiệu quả và bền vững hơn cho cực âm của pin, nơi diễn ra các quá trình trao đổi điện tử quan trọng.
Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực cải thiện hiệu suất của cực âm dựa trên một hợp chất lithium-sắt-oxit cụ thể. Vào năm 2023, họ đã báo cáo một loại vật liệu cực âm đầy hứa hẹn, Li5FeO4, có công suất cao khi sử dụng các phản ứng oxi hóa khử sắt và oxy. Tuy nhiên, sự phát triển của nó gặp phải các vấn đề liên quan đến việc sản xuất oxy trong quá trình sạc-nạp lại.
Phó giáo sư Hiroaki Kobayashi tại Khoa Hóa học, Khoa Khoa học Công nghệ cho biết: “Chúng tôi hiện phát hiện ra rằng khả năng chu kỳ có thể được tăng cường đáng kể bằng cách pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố sẵn có như nhôm, silicon, phốt pho và lưu huỳnh vào cấu trúc tinh thể của cực âm”. Khoa học, Đại học Hokkaido.
Khả năng duy trì công suất của cực âm lithium-iron-oxide được cải thiện từ 50% lên 90% khi pha tạp các nguyên tố có sẵn dồi dào như nhôm, silicon, phốt pho và lưu huỳnh. Nguồn: Hiroaki Kobayashi
Một khía cạnh hóa học quan trọng của sự tăng cường đã được chứng minh là sự hình thành các liên kết 'cộng hóa trị' mạnh mẽ giữa các nguyên tử tạp chất và oxy trong cấu trúc. Các liên kết này giữ các nguyên tử lại với nhau khi các electron được chia sẻ giữa các nguyên tử, thay vì tương tác 'ion' giữa các ion tích điện dương và âm.
Kobayashi cho biết: "Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử tạp chất và nguyên tử oxy làm cho việc giải phóng oxy có vấn đề trở nên kém thuận lợi về mặt năng lượng hơn và do đó ít có khả năng xảy ra hơn".
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phân tích hấp thụ tia X và tính toán lý thuyết để khám phá chi tiết về những thay đổi trong cấu trúc của vật liệu cực âm gây ra bởi việc đưa vào các nguyên tố tạp chất khác nhau. Điều này cho phép họ đề xuất những giải thích mang tính lý thuyết cho những cải tiến mà họ quan sát được. Họ cũng sử dụng phân tích điện hóa để định lượng sự cải thiện về công suất năng lượng, độ ổn định và chu kỳ giữa các pha sạc và xả, cho thấy khả năng duy trì công suất tăng từ 50% lên 90%.
Kobayashi kết luận: "Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển những hiểu biết mới này, hy vọng sẽ đóng góp đáng kể vào những tiến bộ trong công nghệ pin. Điều này sẽ rất quan trọng nếu năng lượng điện thay thế rộng rãi việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, theo yêu cầu của những nỗ lực toàn cầu nhằm chống lại biến đổi khí hậu". .
Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu sẽ bao gồm việc khám phá những thách thức và khả năng mở rộng quy mô các phương pháp thành công nghệ sẵn sàng cho thương mại hóa.
