Pin kim loại lithium (Li), loại pin có cực dương gốc Li kim loại, hiện đang được sử dụng để cấp nguồn cho nhiều loại thiết bị điện tử. Hầu hết các loại pin này đều chứa chất điện phân gốc cacbonat, không có khả năng thụ động hóa sự ăn mòn của cực dương lithium, gây ra sự phát triển đáng kể của đuôi gai và hạn chế vòng đời của pin.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa và các viện nghiên cứu khác ở Trung Quốc gần đây đã thiết kế lithium 1,1,1-trifluoro-N-[2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)]ethyl] metansulfonamide (LiFEA), một loại muối Li bất đối xứng mới với hình học phân tử giống ether có thể cải thiện hiệu suất của pin kim loại Li Loại muối này, được giới thiệu trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy , cho phép cơ chế tự làm sạch giúp làm sạch pha trung gian chất điện phân rắn (SEI), một lớp bảo vệ hình thành trên bề mặt cực dương gốc lithium khi chất điện phân bị phân hủy.
Kai Liu, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Tech Xplore: “Pin kim loại lithium đã được công nhận là pin thế hệ tiếp theo nhờ mật độ năng lượng cao ”. "Tuy nhiên, xen kẽ chất điện phân rắn giàu hữu cơ hình thành trên điện cực kim loại lithium trong chất điện phân cacbonat thông thường không thể làm thụ động bề mặt điện cực để chống lại sự ăn mòn lithium, do đó tuổi thọ, năng lượng và độ an toàn của pin bị hạn chế nghiêm trọng. Chúng tôi đã thiết kế một loại pin phân tử muối lithium mới có khả năng tự làm sạch mới để loại bỏ các thành phần hữu cơ khỏi pha trung gian, mang lại công suất cao và hiệu suất lâu dài với chất điện phân cacbonat."
LiFEA, muối lithium mới do Liu và các đồng nghiệp của ông tạo ra, có hình dạng phân tử gấp nếp, giống như ether và giả vương miện đặc trưng. Hình dạng độc đáo này thúc đẩy sự hình thành SEI giàu vật liệu vô cơ, có khả năng tương thích cao với cực dương kim loại lithium.
Muối được tổng hợp bằng cách thay thế một thành phần cụ thể của muối lithium thường được sử dụng bằng chuỗi dựa trên ethylene glycol. Trong các thử nghiệm ban đầu, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thêm muối vào chất điện giải đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc hòa tan các SEI hình thành ban đầu, đẩy nhanh quá trình này gấp ba lần.
Các phép đo quang phổ cho thấy muối có thể làm chậm quá trình ăn mòn của cực dương và sự phát triển của đuôi gai bằng cách thúc đẩy SEI “tự làm sạch”. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng điều này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin kim loại lithium, cải thiện cả mật độ năng lượng và độ ổn định khi đạp xe.
Liu cho biết: “Muối lithium mới mà chúng tôi thiết kế có thể tự gấp lại để tạo thành các cấu trúc thứ cấp độc đáo, mang lại cơ chế tự làm sạch mới cho các giao diện pin và cải thiện đáng kể hiệu suất của pin”.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã đưa muối Li mới vào pin và nhận thấy chúng hoạt động rất tốt. Cụ thể, tế bào túi 310 Wh kg −1 đạt được mật độ công suất ~410 W kg −1 ở mật độ dòng phóng điện là 6,59 mA cm −2 .
Hơn nữa, sau 100 chu kỳ trong điều kiện đạp xe nhanh (sạc: 1,46 mA cm −2 , xả: 3,66 mA cm −2 ), các tế bào này vẫn giữ được 81% công suất. Trong tương lai, công trình gần đây này có thể góp phần chế tạo pin kim loại Li năng lượng cao và chu kỳ nhanh cho nhiều ứng dụng, bao gồm cả xe điện (EV).
Liu cho biết thêm: “Chúng tôi tin rằng công việc của chúng tôi sẽ làm tăng mật độ năng lượng cũng như mật độ năng lượng của pin”. "Nói cách khác, xe điện có thể sạc nhanh hơn, tăng tốc nhanh hơn và đi được quãng đường dài hơn trong tương lai. Bây giờ chúng tôi sẽ tập trung vào việc cải thiện cấu trúc phân tử và cải thiện hơn nữa hiệu suất của nó trên các tế bào định dạng lớn công nghiệp."
