Đường dẫn vận chuyển độ dốc Tortuosity cho phép pin trạng thái rắn hoạt động điện hóa cao

Đường dẫn vận chuyển độ dốc Tortuosity cho phép pin trạng thái rắn hoạt động điện hóa cao

    Đường dẫn vận chuyển độ dốc Tortuosity cho phép pin trạng thái rắn hoạt động điện hóa cao
    bởi Nhà xuất bản Khoa học Trung Quốc

    Tortuosity gradient transport paths enables high-electrochem-active solid-state batteries


    ( a ) Hình ảnh biên độ STXM (mật độ quang) Ptychography và ( b ) ánh xạ phân bố nguyên tố tại các cạnh Ni của catốt đều đặn theo chu kỳ. (c) Phổ XAS của cạnh Ni L3 và (d) định lượng của Ni3+ và Ni4+ ở các vùng khác nhau. ( e ) Hình ảnh biên độ STXM (mật độ quang) của Ptychography và ( f ) ánh xạ phân bố nguyên tố tại các cạnh Ni của điện cực TGH theo chu kỳ. (g) Phổ XAS của cạnh Ni L3 và (h) định lượng của Ni3+ và Ni4+ ở các vùng khác nhau. (i) Sự phân bố lỗ rỗng của điện cực thông thường và điện cực TGH. (j) Độ quanh co của điện cực thông thường và điện cực TGH. (k) Tái tạo chụp cắt lớp X-quang synchrotron với kết xuất âm lượng cho thấy điện cực TGH bao gồm FTL và REL. Nguồn: Nhà xuất bản Khoa học Trung Quốc


    Mối quan tâm to lớn đối với pin năng lượng cao và bảo mật cao trong các hệ thống lưu trữ năng lượng đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của pin lithium hoàn toàn ở trạng thái rắn (ASSLB). Tuy nhiên, hiệu suất điện hóa của ASSLB vẫn kém hơn so với pin lỏng do điện trở vận chuyển ion cao ở giao diện điện cực/chất điện phân trạng thái rắn. Khi đạt được mục tiêu về mật độ năng lượng cao bằng cách tăng tải cho các điện cực, thì việc vận chuyển ion nhanh bên trong các điện cực vẫn là một thách thức quan trọng đối với pin thể rắn.

    Trong một bài báo nghiên cứu mới đăng trên Tạp chí Khoa học Quốc gia, một nhóm nghiên cứu công nghệ năng lượng do Giáo sư Jiajun Wang từ Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân (HIT) dẫn đầu đã trình bày kết quả cho thấy sự suy giảm hiệu suất điện hóa của các điện cực thể rắn bắt nguồn từ sự mất cân bằng vận chuyển ion và phản ứng điện cực.

    Chiến lược điện cực dày có độ dốc quanh co (20 mg cm-2) đã được đề xuất thêm, giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển điện tích nhanh, giảm thiểu phản ứng ở trạng thái rắn không đồng nhất, tăng cường hoạt động điện hóa và kéo dài vòng đời trong các điện cực ở trạng thái rắn dày.

    Đầu tiên, nhóm nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày điện cực đến hiệu suất điện hóa của pin thể rắn thông qua các phương pháp phân tích bức xạ synchrotron tiên tiến. Không giống như chất điện phân lỏng trong pin điện phân lỏng có thể dễ dàng xâm nhập qua giao diện và điện cực xốp, các ion lithium chỉ có thể vận chuyển chậm qua các giao diện rắn-rắn trong ASSLB.

    Khi đường vận chuyển khoảng cách dọc trong điện cực trạng thái rắn tăng lên, các ion lithium không thể được vận chuyển trơn tru giữa chất điện phân trạng thái rắn và bộ thu dòng điện, dẫn đến tính không đồng nhất của phản ứng và độ dốc nồng độ của các ion lithium dọc theo trục dọc của điện cực dày, cuối cùng dẫn đến hỏng pin.

    Hơn nữa, nhóm đã chế tạo một điện cực trạng thái rắn có độ dốc ngoằn ngoèo (điện cực TGH), điện cực này tái tạo lại đường vận chuyển Li+ trong điện cực trạng thái rắn và đạt được sự cân bằng giữa vận chuyển ion và tốc độ phản ứng. Điện cực TGH bao gồm một lớp vận chuyển nhanh (FTL) với mạng lưới thẩm thấu ion và lớp cân bằng phản ứng (REL) với các hạt có kích thước lớn. Kết hợp chụp cắt lớp bức xạ synchrotron, máy học và phân tích thử nghiệm điện hóa cho thấy điện cực TGH có thể ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất của các điện cực dày ở trạng thái rắn.

    Cuối cùng, nhóm đã sử dụng phương pháp chụp cắt lớp và chụp cắt lớp bức xạ synchrotron tiên tiến để phân tích sự tiến hóa về hình thái và sự phân bố trạng thái hóa học Ni của các hạt thứ cấp trong điện cực TGH với ưu điểm là hình ảnh 3D và độ phân giải cao. Do các hạt nhỏ trong FTL có độ ngoằn ngoèo thấp hơn nên FTL có đường vận chuyển ion theo phương thẳng đứng ngắn, đảm bảo rằng Li+ có thể được vận chuyển nhanh chóng từ phía chất điện phân sang phía bộ thu dòng điện.

    Lớp REL có diện tích bề mặt riêng nhỏ và chỉ cần có thông lượng Li+ thấp để đạt được mức phân tách cụ thể, điều này mang lại khả năng cân bằng giữa vận chuyển Li+ và phân tách trong điện cực TGH. Sức mạnh tổng hợp giữa FTL và REL duy trì trạng thái cân bằng giữa sự vận chuyển ion và sự phân tách trong điện cực TGH, cải thiện việc sử dụng catốt và thúc đẩy sự ổn định chu kỳ của ASSLB.

    Zalo
    Hotline