Discovery cung cấp con đường dẫn đến pin sạc natri trạng thái rắn, an toàn hơn
bởi Đại học Quốc gia Singapore
Khi Giáo sư Canepa tải một mẫu NASICON vào máy đo nhiễu xạ tia X. Ảnh: Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật NUS
Một loại pin sạc an toàn hơn, xanh hơn và rẻ tiền hơn để cung cấp năng lượng cho xe điện, điện thoại di động và nhiều ứng dụng khác có thể là một bước tiến gần hơn sau phát hiện đột phá của các nhà nghiên cứu NUS.
Nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Pieremanuele (Piero) Canepa (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật NUS) đứng đầu đã xác định được thành phần điện phân rắn dựa trên natri-ion mới có thể cho phép sạc và xả pin cực nhanh.
Nghiên cứu của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Giáo sư Canepa cho biết: “Các loại pin lithium-ion thông thường và được sử dụng rộng rãi đang gặp trở ngại bởi các vấn đề an toàn, đặc biệt là do tính dễ bắt lửa của các chất điện phân lỏng mà chúng chứa.
"Thách thức là tìm ra các giải pháp thay thế trạng thái rắn an toàn hơn có thể cạnh tranh về tốc độ sạc, tuổi thọ và khả năng sạc."
An toàn hơn, pin dung lượng cao
Sử dụng vật liệu gốm không cháy — được gọi là chất điện phân rắn — để tạo ra pin ở trạng thái rắn hoàn toàn đã được các nhà nghiên cứu coi là triển vọng tốt nhất để cung cấp pin dung lượng cao, an toàn hơn cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của một tương lai carbon thấp.
Khó khăn nằm ở việc phát triển thành phần vật liệu gốm phù hợp có thể mang lại hiệu suất cạnh tranh với chất điện phân lỏng dễ cháy của pin lithium-ion thương mại.
Chế phẩm mới ở trạng thái rắn do nhóm NUS phát triển sử dụng một loại chất điện phân rắn được gọi là NASICON (hoặc Chất dẫn điện siêu ion Natrium) được phát hiện lần đầu tiên vào khoảng bốn thập kỷ trước bởi Hong và Goodenough - người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2019.
Ngoài việc an toàn hơn, bằng cách sử dụng natri thay vì lithium, pin còn có thêm lợi ích là rẻ hơn và dễ sản xuất hơn.
Giáo sư Canepa cho biết: “Hầu hết lithium trên thế giới, vốn là một nguyên tố khá hiếm, chỉ có nguồn gốc từ một vài nơi — chủ yếu là Chile, Bolivia và Úc. "Tuy nhiên, sử dụng pin dựa vào natri sẽ hiệu quả hơn nhiều, vì natri có thể được chiết xuất dễ dàng và thậm chí sạch - ngay cả ở một nơi nhỏ như đây ở Singapore."
Phương pháp nâng cao
Khám phá của nhóm của Giáo sư Canepa của Asst được thực hiện bằng cách tiếp cận từ dưới lên, trước tiên liên quan đến việc phát triển mô hình quy mô nguyên tử lý thuyết của thành phần gốm NASICON bằng cách sử dụng siêu máy tính công suất cao và các thuật toán mới do cùng nhóm phát triển.
Chế phẩm được thiết kế sau đó được tổng hợp thực nghiệm, đặc trưng và thử nghiệm bởi nhóm của Giáo sư Masquelier tại CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, ở Amiens, Pháp. Tốc độ chuyển động của ion trong thành phần NASICON mới sau đó được đo tại NUS và tại Viện Nghiên cứu Năng lượng và Khí hậu, ở Jülich, Đức.
Giáo sư Canepa cho biết: “Phương pháp chúng tôi sử dụng cho phép các nhà nghiên cứu đẩy nhanh sự phát triển và tối ưu hóa các chất điện phân rắn mới cho các loại pin thể rắn hoàn toàn, vốn là yếu tố quan trọng để đạt được các loại pin an toàn hơn với mật độ năng lượng cao.
"Cách tiếp cận tiên tiến này, chúng tôi tin rằng, sẽ rất quan trọng để phát triển thế hệ công nghệ lưu trữ năng lượng sạch tiếp theo."
Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu mà nhóm đang thực hiện, sẽ tập trung vào việc phát triển một loại pin thể rắn kích thước đầy đủ sử dụng gốm NASICON và chứng minh hiệu suất sạc và xả của nó.
Giáo sư Canepa đứng đầu Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Canepa tại NUS, nơi tận dụng sức mạnh của siêu máy tính và các thuật toán mô phỏng tiên tiến để thúc đẩy ranh giới trong việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng sạch.
Nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Canepa về pin hoàn toàn ở trạng thái rắn
Trong một nghiên cứu liên quan, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Canepa đã kiểm tra một trong những thách thức quan trọng trong việc phát triển pin thể rắn: giao diện giữa cực dương kim loại kiềm và chất điện phân rắn, thường không ổn định và là nguồn gây hỏng pin. .
Tính ổn định của mặt phân cách này phụ thuộc vào các đặc tính của lớp xen phủ khác biệt về mặt hóa học hình thành ở ranh giới, được gọi là xen kẽ chất điện ly rắn.
Trong nghiên cứu của họ, được công bố gần đây trên tạp chí PRX Energy, nhóm nghiên cứu do Yuheng Li đứng đầu, đã nghiên cứu giao diện pin giữa cực dương kim loại lithium và một chất điện phân rắn nổi tiếng, tại đó sự hình thành giữa các pha tự giới hạn và ổn định.
Để hiểu nguồn gốc của sự ổn định này, các tác giả đã sử dụng các mô phỏng quy mô nguyên tử để mô hình hóa độ dẫn điện tử của interphase. Họ phát hiện ra rằng giữa các pha là cách điện điện tử, và do đó ngăn chặn sự hình thành tiến bộ của chính nó và ổn định giao diện.
Nhóm nghiên cứu cho biết phát hiện của họ cung cấp các hướng dẫn thiết kế về giao diện pin ổn định, giúp đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin thể rắn an toàn và hiệu suất cao.
