Phụ gia điện phân tăng cường cực dương kim loại lithium siêu mỏng cho pin lâu dài hơn
của Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk
a) Hiệu suất chu kỳ của các cell Li||NMC811 dạng túi dưới N/P là 2,05 với E/C là 6 g Ah−1 và b) hồ sơ điện áp ở các chu kỳ khác nhau. c,d) Ảnh kỹ thuật số và e,f) Ảnh SEM của cực dương kim loại Li 20 µm sau 50 chu kỳ. Ảnh quang học của các cell được kết nối với đèn LED với g) LiTFMS và h) AgTFMS sau lần sạc thứ 50. Nguồn: Advanced Energy Materials (2025). DOI: 10.1002/aenm.202500279
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một công nghệ tăng cường đáng kể độ ổn định của cực dương kim loại siêu mỏng chỉ dày 20μm. Dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Yu Jong-sung từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng tại DGIST, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp mới sử dụng chất phụ gia điện phân để giải quyết các vấn đề về tuổi thọ và độ an toàn đã cản trở việc thương mại hóa pin kim loại lithium. Công trình này được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Các anot kim loại lithium (3.860 mAh g⁻¹) có dung lượng gấp hơn 10 lần so với các anot than chì được sử dụng rộng rãi (372 mAh g⁻¹) và có điện thế khử chuẩn thấp, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho vật liệu anot thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, trong các chu kỳ sạc-xả, lithium có xu hướng phát triển ở dạng dendrit, gây ra hiện tượng đoản mạch và mất kiểm soát nhiệt, dẫn đến các vấn đề về tuổi thọ và độ an toàn. Hơn nữa, do giãn nở thể tích, pha điện phân rắn (SEI) liên tục bị phân hủy và tái tạo, dẫn đến sự cạn kiệt chất điện phân nhanh chóng.
Việc sử dụng kim loại lithium siêu mỏng có độ dày dưới 50μm là điều cần thiết, đặc biệt là đối với việc thương mại hóa pin kim loại lithium. Tuy nhiên, các vấn đề như vậy trở nên nghiêm trọng hơn khi độ dày giảm. Theo đó, cả học viện và ngành công nghiệp đều tập trung vào kỹ thuật SEI để tăng cường độ ổn định của anot kim loại lithium, trong đó các chiến lược hình thành SEI sử dụng chất phụ gia điện phân đã nổi lên như một phương pháp tiếp cận đơn giản nhưng hiệu quả.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng lithium fluoride (LiF) góp phần tăng cường độ ổn định của anot kim loại lithium (Li) do độ bền cơ học cao của nó. Gần đây hơn, bạc (Ag) cũng được báo cáo là thúc đẩy quá trình lắng đọng lithium đồng đều thông qua phản ứng hợp kim với Li. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu nào khám phá ra một chất phụ gia duy nhất có khả năng hình thành đồng thời cả Ag và LiF.
a) Hồ sơ điện áp ban đầu, b) khả năng tốc độ và c) hồ sơ hiệu suất chu kỳ của pin Li||NMC811 dạng đồng xu dưới N/P là 2,05 với E/C là 6 g Ah−1. d–f) Ảnh SEM mặt cắt ngang của anot kim loại Li 20 µm sau 30 chu kỳ. g) Hồ sơ định lượng của anot kim loại Li sau 100 chu kỳ. h) Bản đồ so sánh các điều kiện của pin kim loại Li với TPFPB/TPFPP, NST và công trình này. Nguồn: Advanced Energy Materials (2025). DOI: 10.1002/aenm.202500279
Để đạt được mục đích này, nhóm của Giáo sư Yu đã giới thiệu bạc trifluoromethanesulfonate (AgCF₃SO₃ hoặc AgTFMS) như một chất phụ gia điện phân để giải quyết vấn đề hình thành dendrite và tuổi thọ chu kỳ kém. Thông qua nhiều phân tích bề mặt khác nhau, nhóm đã xác nhận rằng việc sử dụng chất điện phân có chứa AgTFMS dẫn đến sự hình thành đồng thời Ag và LiF trên bề mặt kim loại lithium.
Dựa trên điều này, họ đã tăng cường thành công tính ổn định của cực dương kim loại lithium siêu mỏng (20μm) và xác minh bằng thực nghiệm rằng sự hình thành dendrite có thể bị ức chế hiệu quả và tuổi thọ pin có thể được kéo dài hơn bảy lần so với hệ thống thông thường. Đồng thời, nhóm của Giáo sư Kang Jun-hee tại Đại học Quốc gia Pusan đã sử dụng hóa học tính toán để phân tích năng lượng tương tác giữa Li và Ag, qua đó làm sáng tỏ cơ chế cơ bản để tăng cường độ ổn định.
Giáo sư Yu Jong-sung của DGIST tuyên bố, "Nghiên cứu này tập trung vào việc khắc phục những hạn chế của kim loại lithium siêu mỏng và tăng cường đáng kể độ ổn định của pin kim loại lithium. Bằng cách hình thành SEI hiệu suất cao thông qua một phương pháp đơn giản, chúng tôi đã phát triển một công nghệ cải thiện cả tuổi thọ và hiệu quả của pin lithium.
"Chúng tôi hy vọng rằng sự tiến bộ này sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin kim loại lithium như hệ thống lưu trữ năng lượng bền vững trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xe điện, máy bay không người lái và tàu thủy."
