Phương pháp quan sát đông lạnh nhanh cải thiện triển vọng cho pin lithium kim loại
bởi Đại học Stanford
Các nhà nghiên cứu tại Stanford đã đặt giá đỡ mẫu này (đường kính khoảng 2,5 cm, nhìn từ dưới lên) chứa anode sau khi pin hoạt động vào thiết bị quang phổ điện tử tia X để phân tích kỹ lưỡng lớp bảo vệ nguyên sơ, đông lạnh nhanh của anode ở nhiệt độ cực thấp. Nguồn: Ajay Ravi
Trong khoa học và cuộc sống hàng ngày, việc quan sát hoặc đo lường một thứ gì đó đôi khi làm thay đổi thứ được quan sát hoặc đo lường. Bạn có thể đã trải nghiệm "hiệu ứng người quan sát" này khi bạn đo áp suất của lốp xe và một lượng không khí thoát ra, làm thay đổi áp suất lốp.
Trong các nghiên cứu về vật liệu tham gia vào các phản ứng hóa học quan trọng, các nhà khoa học có thể chiếu tia X vào vật liệu để tìm hiểu chi tiết về thành phần và hoạt động, nhưng phép đo đó có thể gây ra các phản ứng hóa học làm thay đổi vật liệu. Những thay đổi như vậy có thể đã cản trở đáng kể việc các nhà khoa học tìm hiểu cách cải tiến - cùng nhiều thứ khác - pin sạc.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển một bước ngoặt mới cho kỹ thuật X-quang.
Họ đã áp dụng phương pháp mới này bằng cách quan sát các đặc tính hóa học chính của pin, và phương pháp này giữ nguyên các vật liệu pin quan sát được và không gây ra thêm bất kỳ phản ứng hóa học nào. Nhờ đó, họ đã có thêm kiến thức để phát triển pin lithium kim loại sạc lại.
Loại pin này chứa rất nhiều năng lượng và có thể sạc lại rất nhanh, nhưng nó sẽ bị đoản mạch và hỏng sau một vài lần sạc.
Nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Nature, cũng có thể thúc đẩy sự hiểu biết về các loại pin khác và nhiều vật liệu không liên quan đến pin.
"Điều quan trọng nhất có lẽ là chúng tôi nghĩ rằng các nhà khoa học và kỹ sư khác có thể giải quyết nhiều bí ẩn về phản ứng hóa học bằng phương pháp mới này", Stacey Bent, đồng tác giả chính của nghiên cứu, Giáo sư kỹ thuật hóa học Jagdeep & Roshni Singh tại Khoa Kỹ thuật của Đại học Stanford và Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng tại Khoa Bền vững Doerr của Đại học Stanford, cho biết.
Lớp bảo vệ
Trong vài chu kỳ sử dụng/sạc đầu tiên của pin lithium kim loại, một lớp màng bảo vệ hình thành trên bề mặt cực dương lithium. Lớp bảo vệ này chỉ dày bằng một phần tỷ mét, nhưng lại rất quan trọng đối với hiệu suất và độ bền của pin. Lớp màng này phải cho phép các ion lithium di chuyển qua lại giữa các điện cực đối diện, đồng thời ngăn chặn các electron của cực dương âm di chuyển.
Các nhà nghiên cứu pin đã sử dụng kỹ thuật chùm tia X, được gọi là quang phổ điện tử quang tia X, hay XPS, để tìm hiểu rất nhiều về lớp bảo vệ quan trọng này.
Cách vận hành tiêu chuẩn của thiết bị XPS là ở nhiệt độ phòng dưới áp suất cực âm, nghĩa là hầu như không có nguyên tử hoặc phân tử lạ nào trôi nổi xung quanh buồng quan sát.
Tuy nhiên, trong những điều kiện này, thành phần hóa học của lớp bảo vệ pin lithium thay đổi và nó trở nên mỏng hơn, nghiên cứu mới cho thấy.
Vì nghĩ rằng những thay đổi này có thể che giấu các vấn đề với pin lithium, các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu đã thử đông lạnh nhanh các cell pin mới ngay sau khi lớp bảo vệ hình thành ở nhiệt độ khoảng -325 độ F (-200 độ C).
Việc đông lạnh đã được chứng minh là hữu ích trong các nghiên cứu sử dụng thiết bị tương tự, nhưng việc sử dụng nó với XPS còn khá mới. Các nhà nghiên cứu hy vọng phương pháp "cryo-XPS" của họ có thể duy trì lớp bảo vệ ở dạng nguyên sơ thông qua quan sát XPS ở nhiệt độ ấm hơn một chút, khoảng -165 độ F.
Và nó đã làm được.
Các nhà nghiên cứu tại Stanford đã đặt giá đỡ mẫu này (đường kính khoảng 2,5 cm, nhìn từ dưới lên) chứa anode sau khi pin hoạt động vào thiết bị quang phổ điện tử tia X để phân tích kỹ lưỡng lớp bảo vệ nguyên sơ, được đông lạnh nhanh của anode ở nhiệt độ đông lạnh. | Ajay Ravi
"Bằng cách so sánh các quan sát bằng phương pháp của chúng tôi, chúng tôi đã xác định được những thay đổi do quan sát XPS ở nhiệt độ phòng, điều này có thể giúp khắc phục những thách thức của pin kim loại lithium và cải thiện các loại pin lithium khác", đồng tác giả cấp cao khác của nghiên cứu, Yi Cui, Giáo sư Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật của Fortinet Founders tại Khoa Kỹ thuật, Khoa khoa học photon tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, và, giống như Bent, Khoa khoa học và kỹ thuật năng lượng.
"Ngoài ra, cryo-XPS còn cải thiện việc đánh giá hiệu suất dựa trên các thành phần hóa học điện phân khác nhau được sử dụng với cực dương lithium, điều này có thể hỗ trợ các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một số kiến trúc pin mới", Cui cho biết.
Những hiểu biết mới
Sử dụng cả XPS thông thường và phương pháp đông lạnh của họ, các nhà nghiên cứu đã đo lường hiệu suất của pin khi sử dụng các thành phần hóa học khác nhau cho chất điện phân, qua đó các hạt tích điện di chuyển giữa các điện cực dương và âm trong quá trình sử dụng và sau đó là quá trình sạc lại. Chất điện phân chứa muối và dung môi, và các hóa chất gốc muối được coi là hữu ích trong lớp bảo vệ, đảm bảo độ ổn định.
Họ chỉ tìm thấy mối tương quan vừa phải giữa c
