Các nhà khoa học đã phát hiện ra một chất dẫn điện lithium-ion ổn định và có tính dẫn điện cao để sử dụng làm chất điện phân rắn cho pin lithium-ion thể rắn.
Tín dụng: Unsplash/CC0 Miền công cộng
Pin lithium-ion (Li-ion) thể rắn với chất điện phân rắn không bắt lửa và có mật độ năng lượng cũng như số lần truyền cao hơn so với pin có chất điện phân lỏng. Họ dự kiến sẽ chiếm thị phần pin Li-ion điện phân lỏng thông thường, chẳng hạn như xe điện.
Tuy nhiên, bất chấp những ưu điểm này, chất điện phân rắn có độ dẫn Li-ion thấp hơn và đặt ra thách thức trong việc đạt được sự tiếp xúc đầy đủ giữa điện cực và chất điện phân rắn. Trong khi các chất điện phân rắn gốc sunfua có tính dẫn điện, chúng phản ứng với độ ẩm để tạo thành hydro disulfua độc hại. Do đó, cần có chất điện phân rắn không sunfua, vừa dẫn điện vừa ổn định trong không khí để tạo ra pin Li-ion rắn an toàn, hiệu suất cao và sạc nhanh.
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Hóa học Vật liệu vào ngày 28 tháng 3 năm 2024, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Kenjiro Fujimoto, Giáo sư Akihisa Aimi từ Đại học Khoa học Tokyo và Tiến sĩ Shuhei Yoshida từ Tập đoàn Denso dẫn đầu, đã phát hiện ra một loại Li-ion ổn định và có tính dẫn điện cao. chất dẫn điện ở dạng oxyflorua loại pyrochlore.
Theo Giáo sư Fujimoto, "Chế tạo pin thứ cấp lithium-ion ở trạng thái rắn là giấc mơ từ lâu của nhiều nhà nghiên cứu về pin. Chúng tôi đã phát hiện ra một chất điện phân rắn oxit là thành phần chính của lithium-ion ở trạng thái rắn." pin ion, vừa có mật độ năng lượng cao vừa an toàn. Ngoài việc ổn định trong không khí, vật liệu này còn thể hiện tính dẫn ion cao hơn so với các chất điện phân rắn oxit được báo cáo trước đây."
Oxyfluoride loại pyrochlore được nghiên cứu trong nghiên cứu này có thể được ký hiệu là Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). Nó đã trải qua quá trình phân tích cấu trúc và thành phần bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm nhiễu xạ tia X, phân tích Rietveld, phép đo phổ phát xạ quang học plasma kết hợp cảm ứng và nhiễu xạ electron vùng chọn lọc.
Cụ thể, Li1.25La0.58Nb2O6F đã được phát triển, chứng tỏ độ dẫn ion khối là 7,0 mS cm⁻¹ và tổng độ dẫn ion là 3,9 mS cm⁻¹ ở nhiệt độ phòng. Nó được phát hiện là cao hơn độ dẫn điện lithium-ion của các chất điện phân rắn oxit đã biết. Năng lượng kích hoạt dẫn ion của vật liệu này cực kỳ thấp và độ dẫn ion của vật liệu này ở nhiệt độ thấp là một trong những chất cao nhất trong số các chất điện phân rắn được biết đến, bao gồm cả vật liệu gốc sunfua.
Ngay cả ở nhiệt độ -10°C, vật liệu mới vẫn có độ dẫn điện tương tự như chất điện phân rắn gốc oxit thông thường ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, do độ dẫn điện trên 100 °C cũng đã được xác minh nên phạm vi hoạt động của chất điện phân rắn này là –10 °C đến 100 °C. Pin lithium-ion thông thường không thể được sử dụng ở nhiệt độ dưới mức đóng băng. Do đó, điều kiện hoạt động của pin lithium-ion dành cho điện thoại di động thông dụng là từ 0 °C đến 45 °C.
Cơ chế dẫn Li-ion trong vật liệu này đã được nghiên cứu. Đường dẫn của cấu trúc kiểu pyrochlore bao phủ các ion F nằm trong các đường hầm được tạo ra bởi bát diện MO6. Cơ chế dẫn là sự chuyển động tuần tự của các ion Li đồng thời thay đổi liên kết với ion F. Các ion Li di chuyển đến vị trí Li gần nhất luôn đi qua các vị trí siêu bền. La3+ bất động liên kết với ion F ức chế sự dẫn truyền Li-ion bằng cách chặn đường dẫn và làm biến mất các vị trí siêu bền xung quanh.
Không giống như pin thứ cấp lithium-ion hiện có, tất cả pin thể rắn dựa trên oxit không có nguy cơ rò rỉ chất điện phân do hư hỏng và không có nguy cơ tạo ra khí độc như pin dựa trên sunfua. Do đó, sự đổi mới mới này được dự đoán sẽ thúc đẩy nghiên cứu trong tương lai.
"Vật liệu mới được phát hiện là an toàn và có độ dẫn ion cao hơn so với các chất điện phân rắn gốc oxit đã được báo cáo trước đây. Ứng dụng của vật liệu này hứa hẹn cho sự phát triển các loại pin mang tính cách mạng có thể hoạt động ở nhiều nhiệt độ, từ thấp đến cao", giáo sư Fujimoto nói. "Chúng tôi tin rằng hiệu suất cần thiết để ứng dụng chất điện phân rắn cho xe điện đã được đáp ứng."
Điều đáng chú ý là vật liệu mới có độ ổn định cao và không bắt lửa nếu bị hư hỏng. Nó phù hợp cho máy bay và những nơi khác mà sự an toàn là rất quan trọng. Nó cũng thích hợp cho các ứng dụng công suất cao, chẳng hạn như xe điện, vì nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao và hỗ trợ sạc lại nhanh chóng. Hơn nữa, nó còn là vật liệu đầy hứa hẹn để thu nhỏ pin, thiết bị gia dụng và thiết bị y tế.
Tóm lại, các nhà nghiên cứu không chỉ phát hiện ra chất dẫn điện Li-ion có độ dẫn điện cao và độ ổn định trong không khí mà còn giới thiệu một loại chất dẫn siêu âm mới với oxyfluoride loại pyrochlore. Khám phá cấu trúc cục bộ xung quanh lithium, những thay đổi động học của chúng trong quá trình dẫn điện và tiềm năng của chúng như chất điện phân rắn cho pin ở trạng thái rắn là những lĩnh vực quan trọng cho nghiên cứu trong tương lai.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
