Một kế hoạch chi tiết mới để thiết kế pin hiệu suất cao
Trừu tượng đồ họa. Nhà cung cấp: Chem (2023). DOI: 10.1016/j.chempr.2023.03.021
Một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát hiện ra một hành vi hợp tác hấp dẫn xảy ra giữa các hỗn hợp phức tạp của các thành phần trong chất điện phân trong pin. Chất điện phân là vật liệu di chuyển các hạt mang điện tích gọi là ion giữa hai điện cực của pin, chuyển năng lượng hóa học dự trữ thành điện năng
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc kết hợp hai loại anion (ion tích điện âm) khác nhau với cation (ion tích điện dương) có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của pin. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn cẩn thận hỗn hợp ion có thể cho phép các nhà phát triển pin điều chỉnh chính xác thiết bị của họ để tạo ra các đặc tính hiệu suất mong muốn.
Nghiên cứu tập trung vào một loại pin thế hệ tiếp theo được gọi là pin đa hóa trị. Pin lithium-ion ngày nay có khả năng hạn chế trong việc cung cấp các thuộc tính hiệu suất cần thiết trong các ứng dụng quan trọng như xe điện chở khách và lưu trữ năng lượng tái tạo trên lưới điện. Nhiều nhà nghiên cứu coi pin đa hóa trị là một giải pháp thay thế tiềm năng.
Những công nghệ có khả năng thay đổi cuộc chơi này sử dụng các cation như kẽm, magie và canxi có điện tích +2 thay vì +1 đối với các ion lithium. Bằng cách di chuyển nhiều điện tích hơn, pin đa hóa trị có thể lưu trữ và giải phóng nhiều năng lượng hơn. Điều này khiến chúng trở thành ứng cử viên hấp dẫn để thay thế công nghệ pin lithium-ion hiện có trên xe điện. Chúng cũng được hình dung để lưu trữ trên lưới.
Một ưu điểm khác của pin đa hóa trị là chúng sử dụng các nguyên tố dồi dào được cung cấp thông qua chuỗi cung ứng nội địa ổn định. Ngược lại, lithium ít dồi dào hơn và có chuỗi cung ứng quốc tế đắt đỏ, không ổn định.
Nhiệm vụ thúc đẩy pin đa hóa trị
Việc tối ưu hóa cách chất điện phân di chuyển các ion giữa các điện cực của pin là rất quan trọng để có hiệu suất tốt và tuổi thọ lâu dài. Quá trình qua lại này dẫn đến sự lắng đọng và tước bỏ các nguyên tử kim loại trên bề mặt cực dương của pin (điện cực âm). Pin hiệu suất cao, bền bỉ phải có khả năng lắng đọng và bóc lớp kim loại đồng nhất trong hàng nghìn chu kỳ.
Ngày nay, hầu hết các loại pin đa hóa trị đang được các nhà nghiên cứu nghiên cứu đều không hoạt động tốt, hạn chế khả năng tồn tại thương mại của chúng. Các ion và điện cực có xu hướng không ổn định và bị phân hủy. Kết quả là các chất điện phân không thể vận chuyển cation một cách hiệu quả, làm giảm khả năng tạo và lưu trữ điện của pin.
Các nhà nghiên cứu cần biết nguyên nhân gây ra sự xuống cấp và kém hiệu quả. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc hơn nhiều về cách các cation tương tác với các ion, nguyên tử và phân tử khác trong chất điện phân. Việc đạt được kiến thức này đặc biệt quan trọng khi các nhà nghiên cứu khám phá chất điện giải với các hỗn hợp cation và anion phức tạp hơn.
Justin Connell, nhà khoa học vật liệu trong nhóm nghiên cứu và là một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Chúng ta có thể thiết kế các chất điện phân tốt hơn bằng cách hiểu rõ hơn các cơ chế gây ra sự mất ổn định và kém hiệu quả”.
Tương tác ion không mong muốn
Một trong những ứng cử viên chính cho pin đa hóa trị là kim loại kẽm. Nhóm Argonne đã tìm cách mô tả các tương tác xảy ra và các cấu trúc hình thành khi cation kẽm kết hợp với hai loại anion khác nhau trong chất điện phân. Họ cũng muốn biết những tương tác này có thể tác động như thế nào đến các khía cạnh chính của hiệu suất pin, chẳng hạn như sự lắng đọng và bong tróc kim loại ở cực dương.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống pin quy mô phòng thí nghiệm bao gồm cực dương điện phân và kẽm. Chất điện phân ban đầu chứa các cation kẽm và một anion, được gọi là TFSI, có lực hút rất yếu đối với các cation. Các anion clorua sau đó được thêm vào chất điện phân. So với TFSI, clorua có lực hút mạnh hơn nhiều đối với cation kẽm.
Các nhà nghiên cứu đã thăm dò sự tương tác và cấu trúc giữa các ion này bằng cách sử dụng ba kỹ thuật bổ sung:
Quang phổ hấp thụ tia X: Được tiến hành tại Nguồn Photon nâng cao của Argonne, cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE, kỹ thuật này bao gồm việc thăm dò chất điện phân bằng chùm tia X synchrotron và đo độ hấp thụ của tia X.
Quang phổ Raman: Được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Khám phá Điện hóa của Argonne, kỹ thuật này chiếu sáng chất điện phân bằng ánh sáng laser và đánh giá ánh sáng tán xạ.
Lý thuyết hàm mật độ: Được tiến hành tại Trung tâm Tài nguyên Máy tính Phòng thí nghiệm của Argonne, đây là một loại mô hình mô phỏng và tính toán các cấu trúc được hình thành bởi sự tương tác giữa các ion trong chất điện phân.
Nhóm đã chọn những kỹ thuật này vì chúng thông báo cho nhau và cùng nhau có thể đưa ra xác nhận mạnh mẽ hơn cho các kết luận.
Mali Balasubramanian, nhà vật lý trong nhóm nghiên cứu và là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Những kỹ thuật này mô tả các khía cạnh khác nhau của tương tác và cấu trúc ion”.
"Quang phổ hấp thụ tia X thăm dò cách các nguyên tử được sắp xếp trong vật liệu ở quy mô rất nhỏ. Quang phổ Raman mô tả sự dao động của các ion, nguyên tử và phân tử. Chúng ta có thể sử dụng dữ liệu về sự sắp xếp và dao động của nguyên tử để xác định xem các ion bị tách ra hay chuyển động cùng nhau theo cặp hoặc cụm. Lý thuyết hàm mật độ có thể chứng thực những đặc tính này thông qua khả năng tính toán mạnh mẽ."
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng sự hiện diện của clorua khiến các anion TFSI kết hợp với các cation kẽm. Kết quả này rất có ý nghĩa vì sự kết hợp của anion với cation có thể ảnh hưởng đến tốc độ cation có thể được lắng đọng dưới dạng kim loại trên cực dương trong quá trình sạc hoặc sau đó bị loại trở lại chất điện phân trong quá trình phóng điện. Phản ứng điện cực nhanh hơn đòi hỏi ít năng lượng hơn cho phép chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng hiệu quả hơn.
Nhóm nghiên cứu lặp lại thí nghiệm này với hai hỗn hợp ion khác. Trong một hỗn hợp, các ion bromua được sử dụng thay cho clorua và trong hỗn hợp kia, các ion iodua được sử dụng thay cho clorua. Giống như clorua, bromua và iodua hút mạnh các cation kẽm, mặc dù lực hút kém hơn clorua. Kết quả tương tự như những gì đã xảy ra với clorua: bromide và iodide khiến các anion TFSI kết hợp với các cation kẽm.
Connell nói: “Điều đặc biệt thú vị về kết quả này là chúng tôi không mong đợi sẽ thấy những gì chúng tôi đã thấy”. “Ý tưởng rằng chúng ta có thể sử dụng một anion để kéo anion thứ hai đến gần hơn với một cation thật đáng ngạc nhiên.”
Với cả ba sự kết hợp của các ion, các nhà nghiên cứu đã đo được hoạt động điện hóa tại bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân và cực dương. Hoạt động điện hóa liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng. Bromide và iodide hoạt động mạnh hơn clorua vì chúng giữ cation kẽm kém bền hơn. Nói cách khác, cần ít năng lượng hơn để thêm electron vào cation, kéo kim loại kẽm ra khỏi dung dịch và đặt nó lên cực dương. Về mặt thực tế, điều này có thể cho phép pin kẽm-ion sạc và xả nhanh hơn.
Hợp tác giữa các ion
Một khía cạnh hấp dẫn trong kết luận của nghiên cứu là sự hợp tác xảy ra giữa các loại ion khác nhau trong chất điện phân. Các nhà nghiên cứu của Argonne tin rằng sự có mặt của các anion có lực hút yếu đã làm giảm lượng năng lượng cần thiết để kéo kim loại kẽm ra khỏi dung dịch. Trong khi đó, sự có mặt của các anion có lực hút mạnh làm giảm lượng năng lượng cần thiết để đưa kẽm trở lại dung dịch. Nhìn chung, cần ít năng lượng hơn để thúc đẩy quá trình qua lại này và cho phép dòng điện tử (dòng điện) chạy liên tục.
Việc phát hiện ra hành vi này chỉ ra một cách tiếp cận mới thú vị để thiết kế chất điện phân cho pin tiên tiến.
Connell cho biết: “Những quan sát của chúng tôi nêu bật giá trị của việc khám phá việc sử dụng các hỗn hợp anion khác nhau trong pin để tinh chỉnh và tùy chỉnh sự tương tác của chúng với các cation”. "Với việc kiểm soát chính xác hơn các tương tác này, các nhà phát triển pin có thể tăng cường vận chuyển cation, tăng độ ổn định và hoạt động của điện cực, đồng thời cho phép sản xuất và lưu trữ điện nhanh hơn, hiệu quả hơn.
Connell nói thêm: “Cuối cùng, chúng tôi muốn tìm hiểu cách chọn sự kết hợp tối ưu của các ion để tối đa hóa hiệu suất của pin”.
Là bước nghiên cứu tiếp theo, Connell cho biết sẽ rất đáng để nghiên cứu xem các cation đa hóa trị khác như magie và canxi tương tác với các hỗn hợp anion khác nhau như thế nào.
Một hướng nghiên cứu mới khác tại Argonne liên quan đến việc sử dụng máy học để tính toán nhanh chóng các tương tác, cấu trúc và hoạt động điện hóa xảy ra với nhiều tổ hợp ion khác nhau. Mục đích là để đẩy nhanh việc lựa chọn các kết hợp hứa hẹn nhất.
Darren Driscoll, thành viên nhóm nghiên cứu và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Các nhà nghiên cứu không thể nghiên cứu mọi thứ trong phòng thí nghiệm”. “Có quá nhiều sự kết hợp có thể có của các ion cần xem xét và không có đủ nhân lực để tổng hợp chúng và đo lường các tương tác tạo ra.”
Lei Cheng, một nhà hóa học trong nhóm và là một trong các tác giả của nghiên cứu.
Nguồn Photon nâng cao đang được nâng cấp rộng rãi nhằm tăng độ sáng của chùm tia X lên tới 500 lần. Balasubramanian cho biết: “Việc nâng cấp có thể cho phép phân tích nâng cao hơn về hoạt động của chất điện phân, chẳng hạn như cách cấu trúc anion-cation phức tạp và chuyển động của ion thay đổi theo thời gian”.
Nghiên cứu này được xuất bản trên Chem. Các tác giả khác của nghiên cứu là Sydney Lavan, Milena Zorko, Paul Redfern, Stefan Ilic, Garvit Agarwal, Timothy Fister, Rajeev S. Assary và Dusan Strmcnik.
