Lớp phủ khô nanocomposite graphene cải thiện pin lithium-ion
Cynthia Eller, Viện Công nghệ California
Hạt nano đóng gói graphene (GEN). Hạt nano silica (SiO2) được đóng gói bằng graphene bằng quy trình nhiệt độ thấp của Caltech. Sau đó, GEN được phủ khô lên cực âm của pin lithium-ion để cải thiện hiệu suất. Nguồn: David Boyd
Các nhà nghiên cứu của Caltech từ trường và JPL đã hợp tác để đưa ra phương pháp phủ cực âm của pin lithium-ion bằng graphene, kéo dài tuổi thọ và hiệu suất của những loại pin sạc được sử dụng rộng rãi này.
Những nỗ lực này đã dẫn đến một khám phá đầy hứa hẹn có thể cải thiện hiệu suất của pin lithium-ion và giảm sự phụ thuộc vào coban, một nguyên tố thường được sử dụng trong pin lithium-ion khó có thể tìm được nguồn cung cấp bền vững.
Bài báo trình bày chi tiết về nghiên cứu này có tiêu đề "Ức chế sự hòa tan kim loại chuyển tiếp trong catốt oxit nhiều lớp giàu mangan bằng lớp phủ khô nanocomposite graphene" và được xuất bản vào ngày 1 tháng 11 năm 2024 trên Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa.
Nhà khoa học nghiên cứu cấp cao của Caltech, David Boyd, đã làm việc trong thập kỷ qua để phát triển các kỹ thuật sản xuất graphene, một lớp carbon dày 1 nguyên tử, cực kỳ bền và dẫn điện dễ dàng hơn các vật liệu như silicon. Năm 2015, Boyd và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng graphene chất lượng cao có thể được sản xuất ở nhiệt độ phòng. Trước đó, quá trình sản xuất graphene đòi hỏi nhiệt độ cực cao, lên tới 1.000°C.
Sau bước đột phá này, cuộc săn lùng các ứng dụng mới cho graphene đã diễn ra. Gần đây, Boyd đã hợp tác với Will West, một nhà công nghệ tại JPL, nơi Caltech quản lý cho NASA. West chuyên về điện hóa học và đặc biệt là phát triển các công nghệ pin cải tiến. Boyd và West đã bắt đầu tìm hiểu xem graphene có thể tạo ra pin lithium-ion cải tiến hay không. Giờ đây, họ đã chứng minh được điều đó.
"Để chứng minh xu hướng đáng tin cậy về hiệu suất của pin-cell đòi hỏi vật liệu đồng nhất, lắp ráp cell đồng nhất và thử nghiệm cẩn thận trong nhiều điều kiện khác nhau", Brent Fultz, Barbara và Stanley R. Rawn, Jr., Giáo sư Khoa học Vật liệu và Vật lý Ứng dụng của Caltech cho biết. "Thật may mắn khi nhóm nghiên cứu có thể thực hiện công việc này một cách tái tạo như vậy, mặc dù phải mất một thời gian để chắc chắn".
Pin lithium-ion, lần đầu tiên được giới thiệu ra thị trường vào năm 1991, đã cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng điện trong cuộc sống hàng ngày. Từ điện thoại di động đến xe điện, chúng ta dựa vào pin lithium-ion như một nguồn năng lượng tương đối rẻ, tiết kiệm năng lượng và quan trọng nhất là có thể sạc lại khi đang di chuyển.
Mặc dù đã thành công, công nghệ pin lithium-ion vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện. Ví dụ, Boyd cho biết, "Các kỹ sư Tesla muốn có một loại pin tiết kiệm chi phí, có thể sạc nhanh và hoạt động trong thời gian dài hơn giữa các lần sạc. Đó được gọi là khả năng sạc pin."
West nói thêm, "Bạn có thể sạc pin càng nhiều lần trong suốt thời gian sử dụng thì bạn càng phải sử dụng ít pin hơn. Điều này rất quan trọng vì pin lithium-ion sử dụng các nguồn tài nguyên hạn chế và việc xử lý các cell pin lithium-ion một cách an toàn và hiệu quả là một nhiệm vụ rất khó khăn."
Một tính năng quan trọng của pin lithium-ion là cách chúng hoạt động sau nhiều chu kỳ sạc và sử dụng. Pin hoạt động bằng cách tạo ra năng lượng hóa học giữa hai đầu của pin—cực âm và cực dương—và chuyển đổi năng lượng này thành năng lượng điện.
Khi các hóa chất trong cực âm và cực dương hoạt động theo thời gian, chúng có thể không phục hồi hoàn toàn về trạng thái ban đầu. Một vấn đề phổ biến là sự hòa tan của các kim loại chuyển tiếp khỏi vật liệu cực âm, đặc biệt nghiêm trọng ở các vật liệu cực âm có hàm lượng mangan cao, mặc dù ít nghiêm trọng hơn đối với các vật liệu cực âm có hàm lượng coban cao.
"Do các phản ứng phụ không mong muốn xảy ra trong quá trình tuần hoàn, kim loại chuyển tiếp trong catốt dần dần kết thúc ở anot, nơi chúng bị kẹt và làm giảm hiệu suất của anot", Boyd giải thích. Sự hòa tan kim loại chuyển tiếp (TMD) này là lý do tại sao catốt chứa coban đắt tiền được sử dụng thay vì catốt có hàm lượng mangan cao giá rẻ.
Một thách thức nữa đối với pin lithium-ion là chúng cần những kim loại đắt tiền, khan hiếm và không phải lúc nào cũng được khai thác một cách có trách nhiệm. Một lượng lớn nguồn cung coban toàn cầu, nói riêng, tập trung ở Cộng hòa Dân chủ Congo và phần lớn coban đó được khai thác bởi những người được gọi là thợ mỏ thủ công: những người lao động tự do, bao gồm cả trẻ em, những người tham gia vào công việc chân tay nguy hiểm và đòi hỏi nhiều công sức với mức lương ít hoặc không được trả công.
Người ta đã tìm kiếm những cách để tăng hiệu suất pin đồng thời giảm hoặc loại bỏ việc sử dụng coban và vẫn ngăn ngừa TMD.
Graphene xuất hiện. Các kỹ sư trước đây biết rằng lớp phủ carbon trên cực âm của pin lithium-ion có thể làm chậm hoặc dừng TMD, nhưng việc phát triển một phương pháp để áp dụng các lớp phủ này tỏ ra khó khăn. "Các nhà nghiên cứu đã cố gắng lắng đọng graphene trực tiếp lên cực âm
vật liệu, nhưng các điều kiện quy trình thường cần thiết để lắng đọng graphene sẽ phá hủy vật liệu catốt", Boyd giải thích.
"Chúng tôi đã nghiên cứu một kỹ thuật mới để lắng đọng graphene trên các hạt catốt được gọi là lớp phủ khô. Ý tưởng là bạn có một chất 'chủ' gồm các hạt lớn và một chất 'khách' gồm các hạt nhỏ. Bằng cách trộn chúng trong một số điều kiện nhất định, hệ thống có thể trải qua một hiện tượng được gọi là 'trộn có trật tự' trong đó các hạt khách phủ đều các hạt chủ".
Công nghệ phủ khô đã được sử dụng từ những năm 1970 trong ngành dược phẩm để kéo dài tuổi thọ của viên thuốc bằng cách bảo vệ chúng khỏi độ ẩm, ánh sáng và không khí.
Boyd nhớ lại khi nghĩ rằng, "Đây là một ý tưởng hay mà chúng ta có thể sử dụng với graphene. Đầu tiên, chúng tôi có thể sản xuất các hạt graphene khách—các hạt nano được bao bọc bằng graphene (GEN)—bằng phương pháp nhiệt độ phòng của chúng tôi, sau đó phủ khô một lượng rất nhỏ (1% trọng lượng) lên vật liệu catốt chủ để graphene có thể bao phủ và bảo vệ catốt một cách hiệu quả."
Phủ khô catốt bằng vật liệu composite graphene đã chứng minh được tính hiệu quả trong phòng thí nghiệm. Lớp phủ graphene làm giảm mạnh TMD, đồng thời tăng gấp đôi tuổi thọ chu kỳ pin và cho phép pin hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn một chút so với trước đây. Kết quả này khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên. Người ta cho rằng chỉ có lớp phủ liên tục mới có thể ngăn chặn TMD và lớp phủ khô gồm các hạt thì không. Ngoài ra, vì graphene là một dạng carbon nên nó có sẵn rộng rãi và thân thiện với môi trường.
Phương pháp này có thêm lợi ích cho ngành công nghiệp pin. Boyd cho biết: "Các nhà máy sản xuất pin rất tốn kém. Rất nhiều tiền đã được đầu tư vào chúng". "Vì vậy, điều rất quan trọng là các công nghệ pin cải tiến phải có khả năng mở rộng và phù hợp với quy trình làm việc của hoạt động sản xuất pin hiện tại. Chúng tôi có thể sử dụng hầu như bất kỳ vật liệu catốt nào và chỉ thêm một lượng nhỏ GEN của chúng tôi, chạy nó trong máy trộn khô trong vài phút và nó sẽ làm giảm sự hòa tan kim loại chuyển tiếp và cải thiện khả năng sạc điện."
"Đây cũng là một tiến bộ cho công nghệ phủ nói chung," Boyd nói. "Nó mở ra nhiều khả năng sử dụng lớp phủ khô.
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
