Các nhà nghiên cứu của Skoltech đã đề xuất một lời giải thích cho một câu đố lâu đời trong khoa học pin lithium-ion. Nghiên cứu của họ cung cấp một cái nhìn sâu sắc mới về vai trò của ethylene carbonate—được mệnh danh là thành phần điện phân "thần kỳ"—trong pin lithium-ion và giải thích lý do tại sao vật liệu đó và propylene carbonate tương tự về mặt điện hóa lại có hành vi khác nhau đối với cực dương pin làm bằng graphite.
Các nhà khoa học về pin từ lâu đã nghiên cứu những gì xảy ra tại giao diện giữa các phân tử ethylene carbonate (trái) và cấu trúc graphite phân lớp (phải). Graphite được sử dụng trong các anode và ethylene carbonate trong chất điện phân lỏng của pin lithium-ion. Tín dụng: Được tạo trong Blender 3.6 bởi Sergey Luchkin/Skoltech
Những phát hiện được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A sẽ hướng dẫn việc thiết kế chất điện phân để tạo ra pin lithium-ion an toàn và hiệu quả hơn.
Ngay từ đầu kỷ nguyên pin lithium-ion thương mại, các nhà nghiên cứu đã gặp phải vấn đề ăn mòn anot than chì. Chất điện phân gốc propylene carbonate, khá thân thiện với lithium kim loại, hóa ra lại có tính ăn mòn cao đối với graphite.
Vấn đề này đã cản trở việc sử dụng điện cực than chì cho đến khi ethylene carbonate được giới thiệu như một giải pháp thay thế cho propylene carbonate. Mặc dù các phân tử của hai vật liệu này rất giống nhau về mặt điện hóa, nhưng chúng lại có hành vi khá khác nhau đối với anode than chì.
Hiện tượng này—được gọi là sự chênh lệch EC-PC, theo tên viết tắt của các hợp chất—và vai trò của "dung môi kỳ diệu" ethylene carbonate đã được nghiên cứu và thảo luận rộng rãi trong cộng đồng pin trong nhiều thập kỷ, với nhiều giả thuyết được đưa ra. Tuy nhiên, vẫn chưa có sự đồng thuận.
Vấn đề này có tầm quan trọng hơn cả lý thuyết vì nó liên quan đến thiết kế pin ngoài việc lựa chọn EC thay vì PC làm cơ sở dung môi cho chất điện phân.
Trong bài báo mới của mình, Nhà khoa học nghiên cứu cấp cao Sergey Luchkin và Kỹ sư công nghiệp chính Egor Pazhetnov từ Skoltech Energy đã đề xuất rằng sự hiện diện của ethylene carbonate trong chất điện phân dẫn đến sự hình thành một lớp chất lỏng mỏng có độ nhớt rất cao trên bề mặt than chì.
Lớp đó bảo vệ than chì bằng cách ngăn không cho quá nhiều phân tử chất điện phân xâm nhập vào giữa các lớp của nó (xen kẽ quá mức) và cuối cùng làm bong các lớp than chì và do đó làm hỏng cực dương (bong tróc ăn mòn).
Các thí nghiệm được thực hiện để kiểm tra giả thuyết này đã xác nhận rằng lớp này thực sự xuất hiện trong chất điện phân nền EC nhưng không xuất hiện trong chất điện phân nền PC.
Đáng chú ý là lớp chất lỏng nhớt xuất hiện trước và do đó ảnh hưởng đến sự hình thành pha điện phân rắn. SEI là thành phần quan trọng của pin lithium-ion. Đây là lớp mỏng chất điện phân rắn hình thành trên bề mặt anode trong chu kỳ đầu tiên của pin tại nhà máy. Lớp đó bảo vệ anode graphite khỏi sự phân hủy nhanh và ngăn chất điện phân lỏng khỏi quá trình khử điện hóa liên tục.
Hiểu biết mới này về các quá trình giao diện trong pin lithium-ion cung cấp một góc nhìn mới về sự tương tác giữa thành phần chất điện phân và động lực học tại giao diện anot-chất điện phân, điều này rất quan trọng cho sự phát triển của pin ổn định và hiệu quả hơn thông qua thiết kế thông minh của pha điện phân rắn.
Phương pháp tiếp cận được đề xuất trong nghiên cứu này mở rộng ra ngoài pin lithium-ion, cung cấp những hiểu biết có giá trị cho các công nghệ bổ sung mới nổi của pin natri-ion và kali-ion. Chúng phải đối mặt với những thách thức tương tự trong quá trình hình thành pha điện phân rắn.
Nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các tính chất vật lý của thành phần chất điện phân góp phần vào động lực học giao diện, có khả năng thúc đẩy sự đổi mới trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
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
