Việc tạo ra chất điện phân cho pin - thành phần mang các hạt tích điện qua lại giữa hai cực của pin - luôn là một sự đánh đổi.
Một bài báo mới từ phòng thí nghiệm của Trợ lý Giáo sư Chibueze Amanchukwu (bên trái) thuộc Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của UChicago, bao gồm tác giả đầu tiên Priyadarshini Mirmira (bên phải), trình bày một kỹ thuật mới để chế tạo chất điện phân vô cơ và polyme cùng lúc và trong cùng một bình. Tín dụng: John Zich / Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của UChicago
Chất điện phân vô cơ thể rắn di chuyển các hạt cực kỳ hiệu quả, nhưng vì rắn và vô cơ nên chúng cũng giòn, khó thao tác và khó kết nối liền mạch với các đầu cực. Chất điện phân polyme rất dễ làm việc, nhưng không di chuyển các ion tích điện tốt.
Trộn hai thứ này để tạo ra chất điện phân lai sẽ cho ra những kết quả khác nhau.
"Có một vấn đề nan giải. Liệu vật liệu lai có phải là sự kết hợp tốt nhất của cả hai thế giới về độ dẫn ion cao hơn từ vật liệu vô cơ và tính chất cơ học tốt từ vật liệu polyme, hay là sự kết hợp những tính chất tệ nhất của chúng?" Phó giáo sư Chibueze Amanchukwu thuộc Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago (UChicago PME) cho biết.
Một kỹ thuật mới từ Phòng thí nghiệm Amanchukwu tạo ra chất điện phân vô cơ và polyme cùng lúc, trong cùng một bình. Phương pháp tại chỗ "một nồi" này tạo ra hỗn hợp đồng nhất, được kiểm soát, kết hợp độ dẫn điện của chất rắn vô cơ với độ linh hoạt của polyme.
Amanchukwu cho biết: "Khi bạn sản xuất pin kim loại lithium, phương pháp tại chỗ vượt trội hơn hẳn phương pháp trộn vật lý".
Công trình của họ được công bố trên tạp chí Hóa học Vật liệu.
Mặc dù nghiên cứu tập trung vào chất điện phân pin, kỹ thuật mới này sẽ tác động đến nghiên cứu chất bán dẫn, điện tử, lớp phủ công nghiệp, chất bịt kín và bất kỳ lĩnh vực nào khác dựa vào vật liệu lai.
"Giả sử bạn muốn thứ gì đó có khả năng co giãn thực sự tốt và có thể xoắn và xoay, như thiết bị điện tử đeo được. Điều bạn có thể làm là thiết kế polyme sao cho vật liệu đó có được tính linh hoạt về mặt cơ học", tác giả đầu tiên Priyadarshini Mirmira cho biết.
Thống nhất các dòng suối
Việc tạo ra vật liệu lai hiện nay liên quan đến hai luồng tổng hợp. Vật liệu vô cơ và polyme được tạo ra riêng biệt ngay cả khi cả hai đều được tổng hợp cùng lúc—sau đó cần thêm thời gian để trộn hai vật liệu lại với nhau.
Điều này gây khó chịu trong phòng thí nghiệm, nhưng lại là rào cản kinh tế khi sản xuất hàng loạt ở quy mô công nghiệp.
"Theo quan điểm công nghiệp, việc mở rộng quy mô thực sự khó khăn và tốn kém", Mirmira cho biết. "Nếu bạn có thể sản xuất cả hai loại trong một phương pháp một nồi, thì giờ đây bạn đã giảm được lượng lao động cần thiết để sản xuất vật liệu lai".
Trộn các vật liệu tổng hợp công nghệ cao tạo ra cùng một vấn đề như trộn yến mạch—vón cục. Một hỗn hợp vón cục, vón cục có nghĩa là pin kém hiệu quả, chất trám vón cục và các thiết bị điện tử ít hữu ích hơn.
"Tôi đã tạo ra bột, gốm, tôi đã tạo ra polyme, hãy để tôi trộn chúng lại", Amanchukwu nói. "Thách thức là: Điều gì tạo nên một hỗn hợp tốt? Bạn có muốn trộn tốt không? Bạn không muốn sao? Các hạt có kết tụ không? Chúng không kết tụ sao?"
Việc kết hợp các vật liệu trong cùng một nồi không chỉ tạo ra sự pha trộn vật lý hoàn hảo mà nhóm nghiên cứu còn thấy một số vật liệu kết hợp với nhau về mặt hóa học.
"Đối với một số kết hợp giữa tiền chất vô cơ và tiền chất polyme, chúng tôi thấy bằng chứng về liên kết chéo, nghĩa là liên kết hóa học giữa vô cơ và polyme", Amanchukwu cho biết. "Đó chỉ là hóa học vật liệu mới khiến chúng tôi phấn khích".
Nhiều ứng dụng
Bài báo tập trung vào pin lithium vì chúng phổ biến nhất trong EV, lưu trữ lưới điện và các ứng dụng khác. Nhưng kỹ thuật này cũng có thể hoạt động với pin natri, đang tiến triển như một giải pháp thay thế ít tốn kém hơn và dồi dào hơn cho lithium.
Mirmira cho biết: "Vấn đề thực sự là phải thay đổi một trong các chất phản ứng trên chất vô cơ để có thể áp dụng được vào pin natri".
Mirmira cho biết, việc mở rộng quy trình một nồi lên mức cần thiết cho sản xuất công nghiệp sẽ cần "một vài núm điều chỉnh khác nhau". Quy trình này phải hoàn toàn không có không khí, trước tiên, được xử lý dưới argon hoặc một loại khí trơ khác. Điều đó dễ duy trì hơn trong phòng thí nghiệm so với trên sàn nhà máy.
Thứ hai, nồi sẽ nóng lên. Để đạt đến mức công nghiệp sẽ cần phải điều chỉnh chính xác—bình phải đủ nóng để tổng hợp polyme, nhưng không quá nóng đến mức vượt quá nhiệt độ phân hủy của vật liệu.
"Khi bạn tăng quy mô phản ứng này, bạn sẽ có nhiều vật liệu hơn, về cơ bản, bình sẽ nóng hơn nữa", Mirmira nói. "Vì vậy, bạn phải lo lắng về việc kiểm soát nhiệt độ".
Khi những trở ngại đó được khắc phục, nghiên cứu sẽ đưa đến các giống lai hoàn hảo, đồng nhất được tạo ra theo cách hiệu quả về mặt kinh tế và hóa học.
Mirmira cho biết: "Thách thức mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết là khả năng kiểm soát để có được vật liệu polyme vô cơ tích hợp hoàn toàn, và đó cũng là điều khá tuyệt vời mà chúng tôi đã đạt được".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
