Với sứ mệnh chế tạo pin xe điện tốt hơn, các nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã sử dụng chất phụ gia điện phân để cải thiện chức năng của pin kim loại lithium đậm đặc năng lượng. Bằng cách thêm một hợp chất gọi là xêsi nitrat vào chất điện phân ngăn cách cực dương và cực âm của pin, nhóm nghiên cứu đã cải thiện đáng kể tốc độ sạc của pin kim loại lithium trong khi vẫn duy trì được tuổi thọ dài.
Bằng chứng ổn định kim loại Li với phụ gia CsNO 3 . hình thái kim loại Li trong chất điện phân cơ bản (trái) và trong chất điện phân có phụ gia 3% trọng lượng CsNO 3 (phải) sau 1 chu kỳ. b Hình thái kim loại Li trong chất điện phân cơ bản (trái) và trong chất điện phân có phụ gia 3% trọng lượng CsNO 3 (phải) sau 25 chu kỳ. c Hình thái cắt ngang của kim loại Li trong chất điện phân cơ bản (trái) và trong chất điện phân có phụ gia 3% trọng lượng CsNO 3 (phải) sau 50 chu kỳ. d Ảnh kỹ thuật số của kim loại Li tuần hoàn với chất điện phân cơ bản (trái) và trong chất điện phân có phụ gia CsNO 3 (phải). Nhà cung cấp: Truyền thông Tự nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44282-z
Công trình mới của nhóm, được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications , nhắm vào giai đoạn trung gian – một lớp bảo vệ được hình thành trên cực dương và cực âm của pin. Lớp này có tác dụng ngăn chặn sự xuống cấp của các điện cực pin, là chìa khóa để tạo ra pin kim loại lithium có thể sạc và xả nhiều lần như pin lithium-ion.
Muhammad Mominur Rahman, cộng tác viên nghiên cứu thuộc Nhóm Lưu trữ Năng lượng Điện hóa thuộc Khoa Hóa học tại Brookhaven và là tác giả đầu tiên của bài báo mới, giải thích: “Chúng tôi muốn cải thiện tốc độ sạc của pin kim loại lithium tiên tiến hiện nay”. . "Nhưng chúng tôi cũng muốn ổn định pin bằng một pha bảo vệ tốt hơn để chúng có thể sử dụng được lâu hơn."
Ngoài việc ổn định thành công pin, chất phụ gia điện phân của Rahman còn làm thay đổi thành phần hóa học của pin một cách không ngờ tới.
Enyuan Hu, nhà hóa học Brookhaven và nhà nghiên cứu chính của Nhóm lưu trữ năng lượng điện hóa cho biết: “Phát hiện của Mominur thách thức niềm tin thông thường về các thành phần của một pha trung gian hiệu quả”. “Chúng tôi rất vui mừng khi thấy những phát hiện này đóng góp như thế nào cho nỗ lực lớn của DOE tập trung vào pin kim loại lithium.”
Từ trái sang phải: Nhà khoa học về chùm tia Brookhaven Sanjit Ghose cùng với các nhà hóa học Enyuan Hu và Muhammad Mominur Rahman tại chùm tia nhiễu xạ tia X Nguồn sáng Synchrotron II Quốc gia. Nhà cung cấp hình ảnh: Jessica Rotkiewicz/Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Một bước hướng tới mục tiêu lớn hơn
Hu và nhóm của ông đang làm việc cùng các chuyên gia về pin khác trong khuôn khổ Hiệp hội Battery500, sự hợp tác của một số phòng thí nghiệm quốc gia và trường đại học. Hiệp hội, do Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của DOE đứng đầu, đang nỗ lực sản xuất pin có mật độ năng lượng 500 watt-giờ/kg—cao hơn gấp đôi mật độ năng lượng của các loại pin tiên tiến nhất hiện nay.
Mật độ năng lượng này không thể đạt được trong pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho hầu hết các thiết bị chạy bằng pin ngày nay, bao gồm điện thoại, điều khiển tivi và thậm chí cả xe điện. Vì vậy, các nhà khoa học cần chuyển sang sử dụng pin kim loại lithium để theo đuổi mục tiêu của mình. Những loại pin này có cực dương kim loại lithium, thay vì cực dương than chì có trong pin lithium-ion.
Rahman giải thích: “Pin kim loại lithium rất hấp dẫn vì nó có thể cho mật độ năng lượng gấp đôi so với pin có cực dương than chì”. "Nhưng có rất nhiều thách thức cần giải quyết."
Nghiên cứu gần đây nhất của Brookhaven giải quyết một trong những thách thức này—đạt được sự cân bằng giữa tốc độ sạc và vòng đời.
Chất điện phân thường giúp sạc pin nhanh cũng có khả năng phản ứng với cực dương kim loại lithium. Nếu những phản ứng hóa học này diễn ra không kiểm soát được, chất điện phân sẽ bị phân hủy và làm giảm tuổi thọ của pin. Để ngăn chặn điều này xảy ra, các nhà hóa học ở Brookhaven đã bắt tay vào thiết kế pha trung gian.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cực dương kim loại lithium có thể được ổn định bằng chất phụ gia xêzi. Nhưng để tăng tốc độ sạc trong khi vẫn duy trì được tuổi thọ của pin thì cực dương và cực âm cần được ổn định đồng thời. Các nhà khoa học Brookhaven tin rằng xêsi nitrat có thể phục vụ mục đích này cho pin kim loại lithium. Như họ đã đưa ra giả thuyết, ion Caesium dương tích tụ ở phía cực dương kim loại lithium tích điện âm của pin, trong khi ion nitrat âm tích tụ ở cực âm tích điện dương.
Để hiểu rõ hơn về việc chất phụ gia xêsi nitrat ảnh hưởng như thế nào đến thành phần chất điện phân và hiệu suất của pin, các nhà hóa học đã mang loại pin mới đến Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II), cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm Brookhaven.
