Hình ảnh pin 3D tiết lộ tuổi thọ bí mật trong thời gian thực của các tế bào kim loại lithium
Ảnh: Đại học Công nghệ Chalmers
Các nhà nghiên cứu sáng tạo về pin đã giải mã để tạo ra hình ảnh 3D thời gian thực của pin kim loại lithium đầy hứa hẹn nhưng tính khí thất thường khi nó quay vòng. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã thành công trong việc quan sát cách hoạt động của kim loại lithium trong tế bào khi nó sạc và phóng điện.
Phương pháp mới có thể góp phần tạo ra pin có dung lượng cao hơn và tăng cường độ an toàn cho ô tô và thiết bị trong tương lai của chúng ta.
"Chúng tôi đã mở ra một cơ hội mới để hiểu—và về lâu dài là để tối ưu hóa—pin kim loại lithium của tương lai. Khi có thể nghiên cứu chính xác điều gì xảy ra với lithium trong pin trong quá trình đạp xe, chúng tôi sẽ thu được kiến thức quan trọng về điều gì ảnh hưởng đến hoạt động bên trong của nó," Aleksandar Matic, giáo sư tại Khoa Vật lý tại Chalmers và là người đứng đầu nghiên cứu khoa học được xuất bản gần đây trên Nature Communications.
Có rất nhiều hy vọng rằng các khái niệm pin mới, chẳng hạn như pin kim loại lithium, sẽ có thể thay thế pin lithium-ion ngày nay. Mục tiêu là phát triển các loại pin tiết kiệm năng lượng hơn và an toàn hơn, giúp chúng ta tiến xa hơn với chi phí thấp hơn—cả về tài chính và môi trường. Pin thể rắn, pin lithium-lưu huỳnh và pin lithium-oxy nằm trong số những loại pin được coi là những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn. Tất cả những khái niệm này được xây dựng dựa trên ý tưởng rằng cực dương của pin, bao gồm kim loại lithium thay vì than chì có trong pin ngày nay. Không có than chì, tế bào pin sẽ nhẹ hơn và với kim loại lithium làm cực dương, cũng có thể sử dụng vật liệu cực âm dung lượng cao. Điều này làm cho nó có thể đạt được mật độ năng lượng gấp ba đến năm lần.
Lithium hình thành các cấu trúc vi mô không mong muốn
Tuy nhiên, pin kim loại lithium có một vấn đề nghiêm trọng: khi pin được sạc hoặc xả, lithium không phải lúc nào cũng phẳng và mịn như bình thường. Thông thường, nó tạo thành các vi cấu trúc rêu hoặc đuôi gai, các cấu trúc giống như kim dài và các phần của lithium lắng đọng có thể bị cô lập và sau đó không hoạt động. Đuôi gai cũng có nguy cơ chạm tới điện cực khác của pin và gây đoản mạch. Do đó, điều cốt yếu là phải hiểu khi nào, như thế nào và tại sao các cấu trúc này hình thành.
"Để có thể sử dụng công nghệ này trong thế hệ pin tiếp theo, chúng tôi cần xem một tế bào bị ảnh hưởng như thế nào bởi các yếu tố như mật độ dòng điện, sự lựa chọn chất điện phân và số chu kỳ. Bây giờ chúng tôi có một công cụ để làm như vậy, " Nhà nghiên cứu Matthew Sadd của Chalmers, tác giả chính của nghiên cứu mới này cùng với đồng nghiệp Shizhao Xiong cho biết.
Hồi hộp chờ đợi cái nhìn đầu tiên
Thí nghiệm quan sát sự hình thành của các vi cấu trúc liti trong một tế bào đang hoạt động được tiến hành tại Nguồn sáng Thụy Sĩ bên ngoài Zurich ở Thụy Sĩ. Trong dự đoán nghẹt thở, các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị một tế bào pin được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu thời điểm lithium được lắng đọng, trong thời gian thực và ở chế độ 3D bằng kính hiển vi chụp cắt lớp tia X. Mặc dù nhiều nhà nghiên cứu muốn nghiên cứu kim loại liti trong một tế bào đang hoạt động, nhưng theo như nhóm biết thì chưa ai có thể làm được điều đó. Nếu họ thành công, đó sẽ là một bước tiến lớn, so với việc phân tích hình ảnh sau khi một tế bào đã được quay vòng.
Matic nói: “Thật kỳ diệu khi chúng tôi tận mắt chứng kiến nó hoạt động ngay trong lần thử đầu tiên. "Khi chúng tôi quan sát lithium tạo ra các cấu trúc lớn, giống như những chiếc kim khổng lồ, nó gần giống như đang trong một dự án hạ cánh trên mặt trăng. Chúng tôi đã muốn quan sát hoạt động bên trong của pin trong thời gian thực từ rất lâu. Và giờ chúng tôi đã có thể."
Phần quan trọng của câu đố để sử dụng quy mô lớn
Giờ đây, nhóm nghiên cứu nhắm mục tiêu thử nghiệm kỹ thuật này trên các khái niệm pin khác, hy vọng rằng công nghệ hình ảnh cần thiết sẽ có sẵn ở gần nhà hơn, ví dụ như tại phòng thí nghiệm MAX IV của Thụy Điển, một cơ sở nghiên cứu quốc gia về các thí nghiệm tia X tiên tiến.
Matic cho biết: “Chúng tôi mong muốn phát triển phương pháp này để thực hiện các phép đo nhanh hơn ở độ phân giải cao hơn nhằm xem các cấu trúc vi mô chi tiết hơn được hình thành sớm trong quá trình lắng đọng”. "Đây là một phần quan trọng của câu đố để có thể sử dụng pin kim loại lithium trên quy mô lớn và làm cho chúng an toàn. Rất nhiều nhóm nghiên cứu và công ty đang xem xét khái niệm kim loại lithium cho các nguyên mẫu trong tương lai của họ."
