Một nhóm nghiên cứu của NIMS đã phát triển một kỹ thuật mới để ghi lại hình ảnh các ranh giới hạt cản trở sự di chuyển của lithium-ion trong pin thể rắn – một loại pin thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn.
Hình ảnh SIMS về sự di chuyển lithium-ion trong mẫu chất điện phân rắn. Các ranh giới hạt chống lại sự khuếch tán ion đã tạo ra sự phân bố 6 Li không đồng đều. Phân tích định lượng cho thấy sự khuếch tán ion qua các ranh giới này chậm hơn 10.000 lần so với khuếch tán qua các hạt. Nhà cung cấp hình ảnh: Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Naoaki Kuwata
Pin thể rắn — pin sạc thế hệ tiếp theo — nhằm mục đích an toàn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn pin lithium-ion thông thường bằng cách thay thế chất điện phân hữu cơ lỏng bằng chất điện phân rắn. Một vấn đề lớn trong nghiên cứu và phát triển pin thể rắn hiện nay là sự cản trở sự di chuyển lithium-ion tại các bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt động và chất điện phân rắn cũng như ở ranh giới hạt trong chất điện phân rắn.
Những vật cản này làm giảm tốc độ sạc/xả và giảm mật độ năng lượng trong pin. Chất điện phân rắn bao gồm các hạt tinh thể và ranh giới giữa chúng. Các phương pháp đánh giá độ dẫn ion hiện tại chỉ có thể đo độ dẫn ion trung bình qua chất điện phân rắn và không thể định lượng độ dẫn ion ở các ranh giới hạt riêng lẻ cũng như xác định các ranh giới hạn chế sự di chuyển của ion.
Nhóm nghiên cứu này đã thành công trong việc chụp ảnh và định lượng sự di chuyển/khuếch tán ion ở các ranh giới hạt riêng lẻ trong chất điện phân rắn bằng phương pháp quang phổ khối ion thứ cấp (SIMS). SIMS cho phép chụp ảnh sự phân bố nguyên tố hóa học trên mẫu chất điện phân rắn bằng cách bắn tia ion sơ cấp tập trung lên bề mặt mẫu và thu thập cũng như phân tích các ion thứ cấp được đẩy ra.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu thay thế một phần đồng vị lithium ổn định, 7 Li (số khối: 7, độ phong phú tự nhiên: 92%), tạo thành mẫu chất điện phân bằng một đồng vị lithium khác, 6 Li (số khối: 6, độ phong phú tự nhiên: 8%) , ở rìa của mẫu vật bằng kỹ thuật trao đổi đồng vị.
Sau đó, đội nghiên cứu quan sát sự khuếch tán của 6 Li bên trong mẫu vật bằng SIMS. Do không thể chụp ảnh và định lượng sự phân bố của 6 Li khuếch tán nhanh bằng SIMS thông thường nên nhóm nghiên cứu đã làm chậm đáng kể quá trình khuếch tán 6 Li bằng cách làm lạnh mẫu vật (tức là cryo-SIMS), cho phép nhóm đo chính xác sự phân bố 6 Li và xác định ranh giới hạt đóng vai trò là nút thắt đối với sự di chuyển ion.
Kỹ thuật cryo-SIMS có thể được sử dụng để quan sát trực tiếp quá trình khuếch tán lithium-ion, xác định các giao diện/ranh giới hạt đóng vai trò là điểm nghẽn giữa nhiều giao diện/ranh giới hiện có trong pin thể rắn và xác định nguyên nhân của những trở ngại này. Cách tiếp cận này dự kiến sẽ góp phần phát triển pin thể rắn hiệu suất cao hơn.
Công trình được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A.
