Pin hiệu suất cao là cần thiết cho nhiều ứng dụng và nhu cầu về chúng đang tăng lên nhanh chóng. Đây là lý do tại sao việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa, bao gồm cả các hệ thống dành cho xe điện, là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhất của khoa học vật liệu trên toàn thế giới. Trọng tâm không chỉ là khả năng sạc và tốc độ sạc của pin mà còn về tuổi thọ, độ an toàn, tính sẵn có của nguyên liệu thô và cân bằng CO2.
Độ ổn định hóa học (điện) của cực dương Si/LPSCl tổng hợp. a , Ảnh HAADF-STEM của các hạt Si và bản đồ EDS tương ứng. b , Ảnh TEM của hạt Si. c , Hình ảnh HAADF-STEM được lọc nền trừ nền trung bình ở giao diện Si|LPSCl. d , Độ dẫn điện và ion của Si/LPSCl vừa trộn là hàm của thời gian. e , Quy trình đo trạng thái nghỉ và trở kháng dựa trên tế bào ba điện cực. Hình nhỏ cho thấy cách thiết lập của tế bào ba điện cực. f , Sơ đồ Nyquist và mạch tương đương tương ứng được sử dụng để đánh giá dữ liệu trở kháng (điện cực làm việc so với RE). g , Sơ đồ Nyquist của một tế bào điển hình có trạng thái nghỉ dài hạn. h , R int là hàm của căn bậc hai của thời gian ( t 0,5 ). Nguồn: Vật liệu thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41563-023-01792-x
Các nhà hóa học Tiến sĩ Hanyu Huo và Giáo sư Tiến sĩ Jürgen Janek (cả Đại học Justus Liebig Giessen), nhà vật lý Giáo sư Tiến sĩ Kerstin Volz (Đại học Marburg), nhà khoa học vật liệu Dierk Raabe (Viện nghiên cứu sắt Max Planck, Düsseldorf) và tài liệu lý thuyết nhà khoa học GS.TS Chandra Veer Singh (Đại học Toronto, Canada) và nhóm của họ đã nghiên cứu tính chất của cực dương silicon trong pin thể rắn.
Họ đã đi đến kết luận rằng những cực dương này có tiềm năng lớn để cải thiện hiệu suất của những loại pin này. Những phát hiện của họ về tính ổn định, cơ chế hóa học và đặc tính lão hóa của các điện cực silicon hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Materials .
Để nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã kết hợp nhiều phương pháp thực nghiệm và lý thuyết khác nhau để đánh giá định lượng sự vận chuyển lithium trong điện cực, sự thay đổi thể tích cơ học mạnh của silicon trong quá trình sạc và xả cũng như phản ứng với chất điện phân rắn.
Giáo sư Janek, một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Phân tích cơ bản và toàn diện này là một bước quan trọng hướng tới khả năng sử dụng silicon làm vật liệu điện cực trong pin thể rắn, hiện đang là trọng tâm của nghiên cứu quốc tế chuyên sâu”.
Pin thể rắn là một khái niệm tiên tiến của pin lithium-ion, hiện đang hoạt động với chất điện phân hữu cơ dạng lỏng. Mục tiêu cuối cùng là sử dụng chất điện phân rắn, hứa hẹn đặc tính bảo quản tốt hơn, tuổi thọ dài hơn và tăng độ an toàn. Sự phát triển của pin thể rắn là chủ đề nghiên cứu chuyên sâu trên toàn thế giới trong khoảng 10 năm và nhóm Giessen do Giáo sư Janek dẫn đầu là một trong những nhóm học thuật hàng đầu trong lĩnh vực này.
Trong quá trình sạc pin, lithium được hấp thụ ở cực âm, cực dương. Giáo sư Janek giải thích: “Điều này làm cho silicon ở cực dương của pin giãn nở vài trăm phần trăm, dẫn đến các vấn đề cơ học đáng kể ở pin thể rắn”.
"Ngoài ra, các chất điện phân rắn được ưa chuộng sẽ phản ứng với lithium được lưu trữ, điều này cũng dẫn đến tổn thất công suất. Công trình được công bố gần đây của chúng tôi lần đầu tiên đánh giá các khía cạnh này một cách chi tiết về mặt định lượng."
Trong quá trình phát triển pin thể rắn mạnh hơn có thể cạnh tranh với pin lithium-ion thông thường, cực dương phải được chế tạo bằng vật liệu có khả năng lưu trữ đặc biệt cao - lý tưởng nhất là kim loại lithium. Tuy nhiên, điều này có nguy cơ xảy ra đoản mạch bên trong trong điều kiện hoạt động, vì vậy silicon đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế có dung lượng lưu trữ cao tương tự.
Giáo sư Janek cho biết: “Kết quả của chúng tôi cho thấy cực dương silicon có tiềm năng đáng kể để sử dụng trong pin thể rắn, có thể khai thác tiềm năng này bằng cách điều chỉnh khéo léo các giao diện trong pin”.
Cần có các khái niệm vật liệu bổ sung để khắc phục sự lão hóa hóa học và cơ học của cực dương silicon. Một phần của giải pháp này có thể là lớp xen kẽ polymer, như nhóm nghiên cứu từ Đức và Canada đã chứng minh được.
