Kỹ thuật phủ được sử dụng từ lâu trong sản xuất chip máy tính có thể cho phép pin sạc nhiều lần hơn trong suốt vòng đời của nó và khiến việc sản xuất trở nên dễ dàng hơn nhiều. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã điều chỉnh thành công kỹ thuật này để sử dụng với pin thể rắn, là loại pin được làm từ tất cả các vật liệu rắn.
a) Sơ đồ phương pháp phủ dựa trên ALD để sản xuất bột Li6PS5Cl phủ oxit. b) Phổ Al 2p XPS cho thấy cường độ Al tăng dần khi chu kỳ ALD tăng dần. ce) Phổ XPS cấp độ lõi S 2p, P 2p và Cl 2p cho thấy khả năng phản ứng tối thiểu của LPSCl cơ bản với lớp phủ ALD lên đến 10 chu kỳ. (f) Phân tích HAADF-STEM và EDS của bột Li6PS5Cl sau các chu kỳ alumina 1, 10 và 100 ALD. Thanh tỷ lệ là 100 nm. Nguồn: Vật liệu tiên tiến (2023). DOI: 10.1002/adma.202300673
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials là minh chứng đầu tiên cho kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử trên dạng bột của chất điện phân rắn có chứa lưu huỳnh. Chất điện giải là vật liệu vận chuyển các ion (hạt tích điện) giữa hai điện cực của pin, chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng.
Vật liệu thể rắn đầy hứa hẹn nhưng cũng có nhiều thách thức
Pin thể rắn mang lại một số lợi thế tiềm năng so với pin lithium-ion truyền thống với chất điện phân lỏng: nâng cao độ an toàn, khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên một đơn vị thể tích và khả năng sạc nhiều lần hơn trong suốt vòng đời của chúng. Những ưu điểm này rất lý tưởng cho pin xe điện.
Nghiên cứu của Argonne tập trung vào argyrodite, một loại chất điện phân ở trạng thái rắn có chứa lưu huỳnh. Argyrodite có một số ưu điểm so với các chất điện phân ở trạng thái rắn khác. Chúng có độ dẫn ion cao hơn, nghĩa là chúng có thể vận chuyển ion qua pin nhanh hơn. Điều này có thể chuyển thành tốc độ sạc nhanh hơn cho xe điện. Argyrodite cũng dễ dàng hơn và rẻ hơn khi chế biến thành các viên nhỏ để sản xuất pin.
Nhưng argyrodite đặt ra những thách thức trong sản xuất. Vì chúng phản ứng mạnh với không khí nên chúng có thể khó xử lý trong nhà máy sản xuất pin. Ngoài ra, chúng còn dễ dàng phản ứng với các vật liệu điện cực như kim loại lithium. Các phản ứng tạo ra các hóa chất làm suy giảm chất lượng của bề mặt phân cách điện cực/điện cực. Các phản ứng cũng có thể làm chậm quá trình vận chuyển các ion lithium, làm giảm hiệu suất của pin và hình thành các sợi nhánh. Sợi nhánh là cấu trúc lithium hình kim khiến pin kém an toàn và kém bền hơn.
Để giải quyết những thách thức này, các nhà nghiên cứu của Argonne muốn phát triển một phương pháp mới để thiết kế chính xác tính chất hóa học của bề mặt argyrodite. Để thực tế, phương pháp này cần phải dễ thực hiện tại các cơ sở sản xuất pin trong thế giới thực. Họ quyết định áp dụng sự lắng đọng lớp nguyên tử từ ngành sản xuất chip. Phương pháp phủ này liên quan đến việc sử dụng hơi hóa học phản ứng với bề mặt vật liệu rắn để tạo thành một màng mỏng.
Justin Connell, nhà khoa học vật liệu Argonne dẫn đầu dự án, cho biết: “Bề mặt của chất điện phân rắn đóng một vai trò quan trọng trong cách các chất điện phân và điện cực tương tác trong pin”. “Phương pháp này cho phép chúng tôi thiết kế cấu trúc bề mặt ở cấp độ nguyên tử. Chúng tôi tin rằng mức độ kiểm soát tốt này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của pin thể rắn.”
Kỹ thuật phủ tỏ ra hiệu quả
Nhóm Argonne đã sử dụng sự lắng đọng lớp nguyên tử để phủ chất điện phân argyrodite ở dạng bột. Các nhà nghiên cứu khác trước đây đã sử dụng kỹ thuật này để phủ argyrodite sau khi dạng bột được xử lý thành dạng viên. Nhưng các nhà nghiên cứu của Argonne nhận ra rằng họ phải tiếp cận vấn đề theo cách khác để tích hợp sự lắng đọng lớp nguyên tử vào quá trình sản xuất pin thể rắn quy mô lớn.
Connell cho biết: “Việc phủ các viên sẽ khó mở rộng vì chúng dễ gãy. “Ngoài ra, các viên sẽ cần được phủ theo mẻ và điều đó sẽ làm tăng chi phí sản xuất.”
Các nhà nghiên cứu đã đun nóng bột và cho nó tiếp xúc với hơi nước và nhôm trimethyl, tạo ra một lớp phủ mỏng alumina (nhôm oxit) trên tất cả các hạt điện phân riêng lẻ. Tại Nguồn Photon nâng cao của Argonne, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật mô tả đặc tính gọi là quang phổ hấp thụ tia X để xác định rằng lớp phủ không phá vỡ cấu trúc hóa học của argyrodite bên dưới. Kỹ thuật này liên quan đến việc chiếu sáng vật liệu bằng chùm tia X synchrotron cường độ cao và đo sự truyền và hấp thụ tia X trong vật liệu.
Tại Trung tâm Vật liệu Nano của Argonne, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai kỹ thuật để xác định rằng lớp phủ phù hợp tốt với đường viền của các hạt điện phân riêng lẻ. Kỹ thuật đầu tiên, được gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua quét, đã tạo ra hình ảnh của cấu trúc vật liệu bằng cách sử dụng chùm tia điện tử tập trung.
Kỹ thuật thứ hai, được gọi là quang phổ tia X phân tán năng lượng, đánh giá các nguyên tố trong vật liệu. Điều này được thực hiện bằng cách phát hiện tia X phát ra từ các electron được sử dụng trong kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua quét. Bằng cách tuân thủ tốt các đường viền của chất điện phân, lớp phủ có thể cho phép tiếp xúc đồng đều hơn và mật thiết hơn giữa chất điện phân và điện cực, điều này rất cần thiết để pin hoạt động tốt.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng lớp phủ làm giảm đáng kể khả năng phản ứng của bột với không khí. Điều này làm cho bột dễ dàng xử lý hơn trong các cơ sở sản xuất quy mô lớn.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu ép bột tráng thành dạng viên và kết hợp các viên này vào một tế bào pin quy mô phòng thí nghiệm với cực dương (điện cực âm) làm bằng kim loại lithium. Họ liên tục sạc và xả pin này cũng như một loại pin khác được làm bằng chất điện phân không phủ, so sánh hiệu suất của chúng.
Một số lợi ích của lớp phủ, bao gồm cả một lợi ích bất ngờ
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng lớp phủ làm giảm đáng kể khả năng phản ứng của chất điện phân với cực dương lithium. Nó cũng làm giảm tốc độ electron thoát ra khỏi chất điện phân. Điều này rất quan trọng vì người ta tin rằng các electron bị rò rỉ sẽ gây ra các phản ứng hình thành các sợi nhánh.
Jeffrey Elam, nhà hóa học cao cấp của Argonne và là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Để xe điện có hiệu suất tối ưu, bạn muốn các electron được tạo ra bởi các phản ứng hóa học của pin – điện – di chuyển ra khỏi các điện cực đến động cơ của ô tô”.
Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy lợi ích bất ngờ của lớp phủ: Nó tăng gấp đôi độ dẫn ion của chất điện phân.
Zachary Hood, nhà khoa học vật liệu Argonne và tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Bởi vì alumina là vật liệu cách điện – vật liệu làm chậm chuyển động của điện tích – nên chúng tôi không lường trước được sự cải thiện về độ dẫn điện này”.
Cùng với nhau, lợi ích của lớp phủ có thể làm tăng đáng kể số lần pin thể rắn có thể sạc và xả trước khi hiệu suất của nó bắt đầu suy giảm.
Các nhà nghiên cứu tin rằng lớp phủ cho phép chất điện phân tiếp xúc tốt hơn với cực dương – tương tự như cách một giọt nước lan ra trên bề mặt thủy tinh sạch.
Peter Zapol, nhà vật lý Argonne và một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng lớp phủ đang phân phối lại các ion lithium trên bề mặt chất điện phân và tạo ra nhiều khoảng trống dọc theo bề mặt để các ion đi qua”. “Những yếu tố này có thể giúp giải thích độ dẫn điện được cải thiện.”
Thành công của nghiên cứu mở ra một hướng nghiên cứu mới. Các nhà khoa học có thể sử dụng kỹ thuật phủ này với các chất điện phân và lớp phủ khác nhau, có khả năng thúc đẩy nhiều công nghệ pin thể rắn.
Các tác giả khác của nghiên cứu là Anil Mane, Aditya Sundar, Sanja Tepavcevic, Udochukwu Eze, Shiba Adhikari, Eungje Lee và George Sterbinsky.
