Mở khóa pin an toàn hơn: Nghiên cứu khám phá ra những hiểu biết sâu sắc quan trọng về vật liệu điện phân cho tất cả pin thể rắn
Tác giả: Lea E. Radick, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Tại giao diện của liti lanthanum zirconium garnet và kim loại liti, các vị trí tạp chất tiềm năng được hiển thị dưới dạng hình cầu màu hồng. Các sóng đầy màu sắc cho thấy quá trình khử gali và hình thành hợp kim sau khi lắng đọng liti. Nguồn: ACS Materials Letters (2024). DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c01237
Một nghiên cứu tính toán và thực nghiệm chung đã xem xét cách thêm một số tạp chất nhất định vào chất điện phân rắn có thể cải thiện tương tác của nó với điện cực kim loại liti. Kết quả có thể là pin an toàn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
Từ điện thoại di động đến máy tính xách tay đến xe điện, pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị mà chúng ta tin tưởng. Với vai trò quan trọng của công nghệ này trong thế giới hiện đại, các nhà khoa học không ngừng cố gắng phát triển công nghệ pin an toàn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Trong một bài báo mới công bố, một nhóm do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) dẫn đầu đã tiết lộ những hiểu biết sâu sắc quan trọng về chất điện phân rắn mà họ đang thử nghiệm để sử dụng trong pin hoàn toàn rắn. Những phát hiện của họ có thể dẫn đến pin an toàn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Materials Letters.
Chất điện phân giống như màng cho phép điện tích do các ion lithium mang theo chảy giữa các điện cực dương và âm của pin. Pin hoàn toàn rắn sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng. Chúng đang nổi lên như một công nghệ quan trọng cho sự phát triển trong tương lai của pin lithium-ion nhẹ, tiết kiệm năng lượng, bền hơn và an toàn hơn. Chất điện phân rắn không dễ bay hơi cũng không dễ cháy, không giống như chất điện phân lỏng được sử dụng trong pin lithium-ion thông thường.
Chúng cũng ít phản ứng hơn với kim loại lithium, khiến chất điện phân rắn tương thích hơn với điện cực kim loại lithium so với chất điện phân lỏng. Vì tất cả các nguyên tử trong kim loại lithium đều có thể tham gia vào quá trình sạc và xả pin—cho phép pin lưu trữ nhiều năng lượng hơn—kim loại lithium có mật độ năng lượng cao hơn than chì, một vật liệu điện cực thông thường.
Chất điện phân rắn làm từ lithium lanthanum zirconium garnet (LLZO) là ứng cử viên hàng đầu cho loại pin như vậy. Vật liệu này nổi bật vì độ bền và độ chắc chắn của nó. Nó cũng đáng chú ý vì độ dẫn điện, hay khả năng dễ dàng di chuyển ion lithium giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả.
Để LLZO thậm chí còn tốt hơn, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thêm một lượng nhỏ các nguyên tố như nhôm hoặc gali để cải thiện khả năng dẫn ion lithium của LLZO. Quá trình này được gọi là pha tạp. Pha tạp có nghĩa là thêm một lượng nhỏ một nguyên tố khác để thay đổi và cải thiện các đặc tính của vật liệu. Giống như thêm một chút gia vị vào công thức để làm cho món ăn ngon hơn.
Pha tạp nhôm và gali giúp LLZO giữ lại cấu trúc đối xứng nhất và tạo ra các khoảng trống. Những khoảng trống này cho phép các ion lithium thoát ra khỏi điện cực dễ dàng hơn và cải thiện độ dẫn điện. Tuy nhiên, việc pha tạp có thể khiến LLZO phản ứng mạnh hơn với kim loại lithium, làm giảm tuổi thọ chu kỳ của pin.
Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã xem xét điều gì xảy ra khi LLZO chứa nhôm hoặc gali tiếp xúc với lithium kim loại. Sử dụng các kỹ thuật tính toán và thực nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng gali có xu hướng di chuyển dễ dàng hơn ra khỏi chất điện phân và có xu hướng phản ứng mạnh hơn với lithium để tạo thành hợp kim. Điều này khiến lượng gali giảm. Việc mất gali có thể khiến garnet lithium thay đổi cấu trúc và làm giảm độ dẫn ion. Ngược lại, LLZO pha tạp nhôm vẫn còn nguyên vẹn.
LLZO pha tạp gali hấp dẫn vì nó có độ dẫn ion cao hơn nhiều so với LLZO pha tạp nhôm. Tuy nhiên, khả năng phản ứng của các chất pha tạp này khi tiếp xúc với lithium là lý do khiến các nhà nghiên cứu xác định rằng để sử dụng gali, cần có một lớp giao diện để bảo vệ và duy trì độ dẫn điện của nó nhưng ngăn chặn khả năng phản ứng của nó.
Hiểu được lý do tại sao LLZO hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào loại tạp chất nào được thêm vào, sẽ giúp các nhà khoa học thiết kế vật liệu tốt hơn cho pin thể rắn ổn định và đáng tin cậy.
"Điều quan trọng là phải biết tạp chất sẽ phản ứng với lithium như thế nào", Peter Zapol, nhà vật lý học Argonne và là nhà nghiên cứu chính của bài báo cho biết. "Đó là một yêu cầu khác đối với chất điện phân tốt, không chỉ là độ dẫn điện cao".
Nếu tạp chất không ổn định, thì việc cải thiện độ dẫn điện là chưa đủ, Sanja Tepavcevic, nhà hóa học Argonne và là nhà thực nghiệm chính của nghiên cứu giải thích.
"Nếu chúng ta có thể tách phản ứng khỏi độ dẫn điện, hoặc nếu chúng ta có thể phát triển một vật liệu có cả độ dẫn điện cao và độ ổn định, thì về cơ bản đó là những gì chúng ta đang cố gắng thể hiện với công trình này", bà cho biết.
Bằng cách kết hợp các kỹ thuật tính toán và thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có thể đo các đặc tính chính của vật liệu được pha tạp. Đồng thời,
đã có được những hiểu biết sâu sắc ở cấp độ nguyên tử về những gì đang diễn ra tại giao diện giữa kim loại lithium và chất điện phân rắn.
Sử dụng một phương pháp mạnh mẽ dựa trên máy tính được gọi là lý thuyết hàm mật độ để nghiên cứu cách các nguyên tử và electron hoạt động trong vật liệu, các nhà nghiên cứu đã có thể dự đoán được tính ổn định của nhiều chất pha tạp khác nhau và cách chúng phản ứng với các chất khác.
Có một số kỹ thuật thực nghiệm cho phép các nhà khoa học quan sát giao diện điện phân rắn-điện cực, đặc biệt là khi phản ứng điện hóa đang diễn ra trong quá trình hoạt động của pin. Theo Tepavcevic, đó là vì các giao diện này được "chôn vùi" và không thể nhìn thấy bằng hầu hết các kỹ thuật thực nghiệm.
Một kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng là quang phổ điện tử tia X để nghiên cứu những thay đổi trong hóa học bề mặt của LLZO. Một kỹ thuật khác là quang phổ trở kháng điện hóa để phân tích chuyển động của các ion lithium trong chất điện phân và tại giao diện điện phân-điện cực.
Một kỹ thuật thực nghiệm khác mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng, nhiễu xạ neutron, giúp xác định cách các nguyên tử được sắp xếp trong vật liệu. Trong trường hợp này, nó giúp các nhà nghiên cứu xác nhận rằng gali trở nên kém ổn định hơn và phản ứng nhiều hơn sau khi tương tác với liti, trong khi nhôm vẫn ổn định.
Nghiên cứu này được hưởng lợi từ sự hợp tác với một số tổ chức khác, bao gồm Đại học California, Santa Barbara, nơi cung cấp LLZO chất lượng cao. Trong khi đó, các thí nghiệm nhiễu xạ neutron được tiến hành tại các cơ sở người dùng tại Heinz Maier-Leibnitz Zentrum ở Đức và Viện Vật lý hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc tại Cộng hòa Séc.
"Vai trò của sự hợp tác giữa Hoa Kỳ và Đức là vô cùng quan trọng đối với công trình này", Zapol cho biết. "Nhìn về phía trước, những phát hiện này mở ra những con đường mới trong việc theo đuổi pin thể rắn an toàn hơn và hiệu quả hơn trên phạm vi quốc tế".
Ngoài Tepavcevic và Zapol, các tác giả của Argonne bao gồm Matthew Klenk, Michael Counihan, Zachary Hood, Yisi Zhu và Justin Connell. Ngoài ra còn có Neelima Paul và Ralph Gilles từ Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; Charles Hervoches từ Viện Vật lý hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc; và Jeff Sakamoto từ Đại học California, Santa Barbara.
