Ổn định pin lithium-ion bằng chất phụ gia điện phân được tổng hợp từ vi sinh vật

Ổn định pin lithium-ion bằng chất phụ gia điện phân được tổng hợp từ vi sinh vật

    Ổn định pin lithium-ion bằng chất phụ gia điện phân được tổng hợp từ vi sinh vật
    bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản

    Stabilizing lithium-ion batteries with microbially synthesized electrolyte additive
    Sơ đồ khái niệm về ổn định catốt LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 bằng phụ gia DMBAP. Nhóm NH2 chức năng có thể trùng hợp làm cho DMBAP trở thành một chất ổn định lý tưởng. Ảnh: Noriyoshi Matsumi từ JAIST.


    Pin lithium-ion (Li-ion) mật độ năng lượng cao không thể thiếu để cung cấp năng lượng cho xe điện và xe hybrid, thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo và lưới điện. Những pin Li-ion này chứa catốt mật độ năng lượng cao dựa trên các oxit kim loại chuyển tiếp. Trong số rất nhiều vật liệu tiềm năng đã được nghiên cứu, catốt LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 đã được chứng minh là mang lại hiệu suất tốt nhất ở điện thế cao 4,5 V so với Li/Li+ với khả năng đảo ngược cao.

    Tuy nhiên, ở mức điện thế cao như vậy, các loại cacbonat trong chất điện phân thương mại—etylen cacbonat và dietyl cacbonat—bị phân hủy oxy hóa quá mức. Đến lượt nó, điều này tạo thành một lớp xen kẽ chất điện phân catốt (CEI) dày trên bề mặt catốt, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của nó. Do đó, các nhà nghiên cứu đã khám phá các chất phụ gia điện phân như một cách để hạn chế sự suy giảm hiệu suất bằng cách che phủ và ổn định bề mặt cực âm. Tuy nhiên, các tùy chọn hiện có gây ra các mối nguy hiểm về an toàn và môi trường.

    Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Noriyoshi Matsumi từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đứng đầu, đã tổng hợp bằng vi sinh vật 2,5-dimethyl-3,6-bis(4-aminobenzyl)pyrazine (DMBAP), một hợp chất sinh học hợp chất dựa trên, như một chất phụ gia tiềm năng để ổn định các catốt LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2. Điều làm nên sự khác biệt của cách tiếp cận của họ là, không giống như các chất phụ gia hiện có, DMBAP bền vững, thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và không độc hại.

    Nhóm bao gồm Cựu giảng viên cao cấp Rajashekar Badam, Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Agman Gupta và Nghiên cứu sinh tiến sĩ Noriyuki Takamori từ JAIST, cùng với Giáo sư Naoki Takaya, Trợ lý Giáo sư Shunsuke Masuo và Cựu sinh viên cao học Hajime Minakawa từ Đại học Tsukuba ở Nhật Bản. Phát hiện của họ đã được công bố trong Báo cáo khoa học.

    "Mặc dù các vật liệu có nguồn gốc từ sinh khối thu hút cả các nhà nghiên cứu và xã hội nói chung, nhưng ứng dụng của chúng trong các thiết bị điện, bao gồm pin lithium-ion, vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này tập trung vào các chất chuyển hóa vi sinh vật mới, đặc biệt là DMBAP diamine có nguồn gốc từ pyrazine duy nhất từ ​​gen cụm Pseudomonas fluorescens SBW25, được phát hiện với sự cộng tác của Giáo sư Masuo. Vai trò của nó như một chất phụ gia điện giải có thể tác động đến các lĩnh vực bền vững và ngành công nghiệp tế bào thông minh," Giáo sư Takaya giải thích về động lực đằng sau nghiên cứu.


    So sánh năng lượng dải giữa các thành phần chất điện phân, etylen cacbonat (EC), dietyl cacbonat (DEC) và chất phụ gia DMBAP, tương ứng với các cấu trúc được tối ưu hóa theo lý thuyết chức năng mật độ tương ứng của chúng. Tín dụng: Noriyoshi Matsumi từ JAIST.
    Một đánh giá lý thuyết ban đầu cho thấy quỹ đạo phân tử chiếm tỷ lệ cao nhất (HOMO) của phân tử DMBAP nằm ở vị trí cao hơn so với chất điện phân đa năng. Điều này cho phép nó dễ dàng bị oxy hóa ở bề mặt cực âm và tạo thành một lớp bảo vệ trên nó. Ngoài ra, diamine trong DMBAP đã ngăn chặn sự hòa tan của CEI.

    Ngoài ra, nhóm đã thực hiện đánh giá điện hóa chi tiết về DMBAP để phân tích thêm. Năng lượng của dải HOMO đã được xác nhận bằng phép đo vôn kế quét tuyến tính, trong khi quang phổ quang điện tử tia X cho thấy các đỉnh C−N=C biểu thị quá trình điện hóa oxy hóa.

    Các nghiên cứu đo điện áp và phóng điện theo chu kỳ cho thấy rằng chất phụ gia DMBAP đã ổn định cực âm LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 bằng cách cải thiện khả năng tốc độ của pin, độ ổn định theo chu kỳ, hiệu suất điện tích và khả năng duy trì dung lượng. Hơn nữa, các thí nghiệm quang phổ trở kháng điện hóa động đã chứng minh sự hình thành CEI có điện trở giao thoa thấp.

    Dựa trên những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng DMBAP đã trải qua quá trình phân hủy oxy hóa hy sinh, tạo thành lớp giáp thụ động hữu cơ trên bề mặt cực âm. Do đó, điều này đã hạn chế sự xuống cấp quá mức của chất điện phân và ổn định cấu trúc của các oxit kim loại chuyển tiếp trên cực âm.

    Trên thực tế, hiện tượng ưu việt này làm tăng cửa sổ điện thế hoạt động của catốt LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 lên 4,5 V so với Li/Li+. Ngoài ra, tác dụng ổn định của DMBAP đối với hệ thống pin là rất đáng chú ý đối với cả cấu hình nửa ô và toàn ô.

    "Hợp chất pyrazine-amine được điều chế bằng vi sinh vật DMBAP sẽ tăng hiệu suất của pin thứ cấp lithium-ion cần thiết cho xe điện và máy bay không người lái thế hệ tiếp theo. Nó cũng sẽ thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi hơn các nguồn tài nguyên sinh học trong ngành công nghiệp ô tô quy mô lớn. Hơn nữa, Các vật liệu dựa trên sinh học dành cho các thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ giảm gấp đôi lượng khí thải carbon dioxide—trong quá trình sản xuất và vận hành," Giáo sư Matsumi cho biết khi thảo luận về những lợi ích trong tương lai của công việc của họ.

    Zalo
    Hotline