Bằng cách khai thác dữ liệu từ hình ảnh tia X, các nhà nghiên cứu tại MIT, Đại học Stanford, Máy gia tốc quốc gia SLAC và Viện nghiên cứu Toyota đã có những khám phá mới quan trọng về khả năng phản ứng của lithium iron phosphate, một vật liệu được sử dụng trong pin cho ô tô điện và các thiết bị sạc khác. pin.
Bản đồ nồng độ Li thử nghiệm và mô phỏng cho các khung chính của các hạt được chọn. Tín dụng: Thiên nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06393-x
Kỹ thuật mới này đã tiết lộ một số hiện tượng mà trước đây không thể nhìn thấy được, bao gồm những biến đổi về tốc độ phản ứng xen kẽ lithium ở các vùng khác nhau của hạt nano lithium iron phosphate. Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature .
Phát hiện thực tế quan trọng nhất của bài báo – rằng những biến đổi trong tốc độ phản ứng này có tương quan với sự khác biệt về độ dày của lớp phủ carbon trên bề mặt các hạt – có thể dẫn đến những cải thiện về hiệu suất sạc và xả các loại pin này.
Martin cho biết: “Điều chúng tôi học được từ nghiên cứu này là các giao diện thực sự kiểm soát động lực học của pin, đặc biệt là trong các loại pin hiện đại ngày nay được làm từ các hạt nano của vật liệu hoạt tính. Điều đó có nghĩa là chúng tôi thực sự nên tập trung vào kỹ thuật giao diện đó”. Bazant, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học của EG Roos và là giáo sư toán học tại MIT, tác giả chính của nghiên cứu.
Cách tiếp cận này nhằm khám phá tính chất vật lý đằng sau các mẫu phức tạp trong hình ảnh cũng có thể được sử dụng để hiểu rõ hơn về nhiều vật liệu khác, không chỉ các loại pin khác mà còn cả các hệ thống sinh học, chẳng hạn như việc phân chia tế bào trong phôi đang phát triển.
Bazant nói: “Điều tôi thấy thú vị nhất ở công việc này là khả năng chụp ảnh một hệ thống đang hình thành một số mô hình và tìm hiểu các nguyên tắc chi phối điều đó”.
Tiến sĩ Hongbo Zhao, cựu sinh viên tốt nghiệp MIT, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Princeton, là tác giả chính của nghiên cứu mới. Các tác giả khác bao gồm Richard Bratz, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Edwin R. Gilliland tại MIT; William Chueh, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Stanford và giám đốc Trung tâm Pin SLAC-Stanford; và Brian Storey, giám đốc cấp cao về Năng lượng và Vật liệu tại Viện Nghiên cứu Toyota.
Chueh nói: “Cho đến nay, chúng tôi có thể tạo ra những đoạn phim tia X tuyệt đẹp về các hạt nano pin này, nhưng việc đo lường và hiểu các chi tiết tinh tế về cách chúng hoạt động là một thách thức lớn vì phim rất giàu thông tin”. “Bằng cách áp dụng phương pháp học bằng hình ảnh vào những bộ phim có kích thước nano này, chúng tôi rút ra được những hiểu biết sâu sắc mà trước đây không thể có được.”
Mô hình hóa tốc độ phản ứng
Các điện cực của pin lithium iron phosphate được làm từ nhiều hạt lithium iron phosphate cực nhỏ, được bao quanh bởi dung dịch điện phân. Một hạt điển hình có đường kính khoảng 1 micron và dày khoảng 100 nanomet. Khi pin phóng điện, các ion lithium sẽ chảy từ dung dịch điện phân vào vật liệu bằng phản ứng điện hóa được gọi là sự xen kẽ ion. Khi sạc pin, phản ứng xen kẽ bị đảo ngược và các ion chảy theo hướng ngược lại.
Storey cho biết: “Lithium iron phosphate (LFP) là một vật liệu pin quan trọng do giá thành thấp, độ an toàn tốt và sử dụng nhiều nguyên tố”. "Chúng tôi đang nhận thấy việc sử dụng LFP ngày càng tăng trên thị trường xe điện, vì vậy thời điểm thực hiện nghiên cứu này không thể tốt hơn."
Trước nghiên cứu hiện tại, Bazant đã thực hiện rất nhiều mô hình lý thuyết về các mẫu được hình thành bởi sự xen kẽ lithium-ion. Liti sắt photphat thích tồn tại ở một trong hai pha ổn định: pha đầy hoặc pha rỗng.
Từ năm 2005, Bazant đã nghiên cứu các mô hình toán học của hiện tượng này, được gọi là sự tách pha, tạo ra các dạng đặc biệt của dòng lithium-ion được điều khiển bởi các phản ứng xen kẽ. Vào năm 2015, khi đang nghỉ phép ở Stanford, anh bắt đầu làm việc với Chueh để cố gắng giải thích hình ảnh của các hạt lithium sắt photphat từ kính hiển vi tia X quét đường hầm.
Sử dụng loại kính hiển vi này, các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh cho thấy nồng độ của các ion lithium, từng pixel, tại mọi điểm trong hạt. Họ có thể quét các hạt nhiều lần khi các hạt tích điện hoặc phóng điện, cho phép chúng tạo ra các đoạn phim về cách các ion lithium chảy vào và ra khỏi các hạt.
Bằng cách phân tích hình ảnh tia X của 63 hạt lithium iron phosphate khi chúng tích điện và phóng điện, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chuyển động của các ion lithium bên trong vật liệu có thể gần giống với mô phỏng máy tính mà Bazant đã tạo ra trước đó. Sử dụng tất cả 180.000 pixel làm phép đo, các nhà nghiên cứu đã huấn luyện mô hình tính toán để tạo ra các phương trình mô tả chính xác nhiệt động lực học không cân bằng và động học phản ứng của vật liệu pin.
Bazant nói: "Từng pixel nhỏ trong đó đang chuyển từ đầy sang trống, đầy sang trống. Và chúng tôi đang lập bản đồ toàn bộ quá trình đó, sử dụng các phương trình của mình để hiểu điều đó đang diễn ra như thế nào".
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng mô hình dòng chảy lithium-ion mà họ quan sát được có thể tiết lộ những biến đổi theo không gian về tốc độ hấp thụ các ion lithium tại mỗi vị trí trên bề mặt hạt.
Bazant nói: “Chúng tôi thực sự ngạc nhiên khi có thể tìm hiểu sự không đồng nhất trong hệ thống – trong trường hợp này là sự biến thiên trong tốc độ phản ứng bề mặt – chỉ bằng cách nhìn vào các hình ảnh”. "Có những khu vực có vẻ nhanh và những khu vực khác có vẻ chậm."
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu còn chỉ ra rằng những khác biệt về tốc độ phản ứng này có tương quan với độ dày của lớp phủ cacbon trên bề mặt của các hạt lithium sắt photphat. Lớp phủ cacbon đó được áp dụng cho lithium iron phosphate để giúp nó dẫn điện – nếu không thì vật liệu này sẽ dẫn điện quá chậm để có thể sử dụng làm pin.
Bazant nói: “Chúng tôi đã phát hiện ở quy mô nano rằng sự thay đổi độ dày lớp phủ carbon trực tiếp kiểm soát tốc độ, đây là điều mà bạn không bao giờ có thể hiểu được nếu không có tất cả mô hình hóa và phân tích hình ảnh này”.
Các phát hiện này cũng cung cấp sự hỗ trợ định lượng cho giả thuyết mà Bazant đã đưa ra cách đây vài năm: hiệu suất của điện cực lithium sắt photphat bị hạn chế chủ yếu bởi tốc độ truyền ion-electron kết hợp tại giao diện giữa hạt rắn và lớp phủ cacbon, chứ không phải do tốc độ khuếch tán lithium-ion trong chất rắn.
Vật liệu được tối ưu hóa
Các nhà nghiên cứu cho biết, kết quả từ nghiên cứu này cho thấy rằng việc tối ưu hóa độ dày của lớp carbon trên bề mặt điện cực có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế pin hoạt động hiệu quả hơn.
Bazant nói: “Đây là nghiên cứu đầu tiên có thể quy kết trực tiếp một đặc tính của vật liệu pin với đặc tính vật lý của lớp phủ”. "Trọng tâm của việc tối ưu hóa và thiết kế pin nên tập trung vào việc kiểm soát động học phản ứng ở bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân và điện cực."
Storey nói: “Ấn phẩm này là đỉnh cao của sáu năm cống hiến và hợp tác. "Kỹ thuật này cho phép chúng tôi giải mã hoạt động bên trong của pin theo cách mà trước đây không thể thực hiện được. Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là cải thiện thiết kế pin bằng cách áp dụng hiểu biết mới này."
Ngoài việc sử dụng loại phân tích này trên các vật liệu pin khác, Bazant dự đoán rằng nó có thể hữu ích cho việc nghiên cứu sự hình thành mô hình trong các hệ thống hóa học và sinh học khác.
