Nhóm phát triển khuôn khổ cho pin kim loại lithium có thể sạc lại với mật độ năng lượng cao, vòng đời dài
của Đại học Purdue
Tất cả các chất điện phân đều chứa muối LiFSI 1,8 M, tất cả các thử nghiệm được thực hiện ở 25 °C. a Bản đồ điện thế tĩnh điện (ESP) của các phân tử ether được nghiên cứu. Các quả cầu màu đỏ, xanh lục và trắng lần lượt là các nguyên tử O, C và H. b Các giá trị độ nhớt và sức căng bề mặt của các chất điện phân và dung môi được nghiên cứu. c Kết quả LSV của các ô đồng xu Li||Al ở tốc độ quét 0,5 mV/s. d Hiệu suất Coulomb của pin đồng xu Li||NCM811 xoay vòng trong khoảng từ 2,8 đến 4,3 V ở mức 0,48 mA/cm2. Tải catốt là khoảng 8,21 mg/cm2. e Thử nghiệm đo cường độ dòng điện thời gian của pin đồng xu Li||NCM811 ở 4,3 V. f Hiệu suất chu kỳ dài hạn của pin đồng xu Li||NCM811 ở mức 1,6 mAh/cm2. Hai chu kỳ hình thành ở 0,16 và 0,8 mA/cm2 đã được thực hiện. Nguồn: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36647-1
Nghiên cứu được thực hiện bởi Nhóm nghiên cứu năng lượng Vilas Pol (ViPER) của Đại học Purdue cho thấy triển vọng phát triển pin lithium-metal có thể sạc lại mật độ năng lượng cao và giải quyết sự mất ổn định oxy hóa điện hóa của chất điện phân dựa trên ether.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 10 tháng 2. Zheng Li, một trợ lý nghiên cứu sau đại học tại Trường Kỹ thuật Hóa học Davidson, là tác giả chính.
Trọng tâm của Tập đoàn ViPER là thiết kế và chế tạo các vật liệu dung lượng cao cho các hệ thống pin lithium-ion, lithium-lưu huỳnh, natri-ion, trạng thái rắn và nhiệt độ siêu thấp thế hệ tiếp theo an toàn hơn.
"Sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ lưu trữ năng lượng nhằm giảm các mục tiêu phát thải carbon được đề xuất và nhu cầu rất lớn về hệ thống lưu trữ năng lượng cũng tồn tại trong thị trường xe điện và điện tử tiêu dùng. Họ kêu gọi pin Li thế hệ tiếp theo có mật độ năng lượng cao hơn với độ an toàn được nâng cao, " Vilas Pol, giáo sư kỹ thuật hóa học, người đã lãnh đạo các phòng thí nghiệm hàng đầu của Purdue về chế tạo pin, thử nghiệm an toàn điện hóa và nhiệt kể từ năm 2014.
Thay thế vật liệu cực dương than chì thông thường bằng kim loại lithium năng lượng cao là một phương pháp rất hứa hẹn. Tuy nhiên, loại vật liệu cực dương “chén thánh” này lại gặp phải những nhược điểm khó giải quyết như khả năng tái chế và độ an toàn thấp, v.v.
Pol cho biết: “Từ góc độ nghiên cứu cơ bản về các công nghệ LMB mới, điều quan trọng là phải phát triển một cách tỉ mỉ hóa chất điện phân lỏng phù hợp hoạt động với các cực dương và cực âm đầy hứa hẹn”.
Trong nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng chất điện phân dựa trên ete nồng độ thấp có thể chịu đựng thành công hoạt động điện áp cao (4,3 V) trong thời gian dài của LMB thực tế dưới các cấu hình khả thi trong ngành, khi sử dụng ete dipropyl không phân cực cao làm dung môi chất điện phân.
Li cho biết: “Nhận ra chu kỳ dài hạn của cực dương kim loại Li và cực âm điện áp cao đồng thời với chất điện phân dựa trên ether pha loãng là thách thức chính trong nghiên cứu này”. "Ether có độ ổn định oxy hóa kém mặc dù chúng có khả năng tương thích hợp lý với cực dương kim loại Li. Do đó, mục tiêu của chúng tôi là mở rộng khả năng điện áp cao của chúng. Từ cấp độ phân tử, chúng tôi đã xác nhận mối tương quan thiết yếu giữa hành vi hòa tan của chất điện phân pha loãng dựa trên ether và hiệu suất của chúng trên điện cực dương điện áp cao."
Các mối tương quan được giải thích thêm thông qua các mô phỏng động lực học phân tử cổ điển (MD) chi tiết và tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT) cùng với các phân tích thử nghiệm đa phương thức. Người ta đã chứng minh rằng việc điều chỉnh cấu trúc hòa tan của các chất điện phân dựa trên ether có thể sắp xếp lại thứ tự phân hủy của các loại hòa tan và hình thành một cách có chọn lọc sự bảo vệ mạnh mẽ trên bề mặt catốt. Nó cũng điều chỉnh thành phần của lớp kép điện bề mặt để ngăn chặn quá trình oxy hóa ether.
Phương pháp ức chế động học độc đáo này khác với các chiến lược thông thường, chẳng hạn như sử dụng chất điện phân có nồng độ cực cao hoặc đưa vào quá trình flo hóa phân tử để cải thiện tính ổn định của chất điện phân, vốn làm tăng đáng kể chi phí pin. LMB do nhóm ViPER phát triển dự kiến sẽ cải thiện 40% mật độ năng lượng so với pin Li-ion thông thường.
