Pin lithium-ion chống cháy bằng muối
Trừu tượng đồ họa. Ảnh: Vấn đề (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.11.003
Pin lithium-ion có thể sạc lại cung cấp năng lượng cho điện thoại, máy tính xách tay, các thiết bị điện tử cá nhân khác và ô tô điện, thậm chí còn được sử dụng để lưu trữ năng lượng do các tấm pin mặt trời tạo ra. Nhưng nếu nhiệt độ của các loại pin này tăng quá cao, chúng sẽ ngừng hoạt động và có thể bắt lửa.
Điều đó một phần là do chất điện phân bên trong chúng, thứ vận chuyển các ion lithium giữa hai điện cực khi pin sạc và xả, dễ cháy.
Rachel Z Huang, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Stanford và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Một trong những thách thức lớn nhất trong ngành công nghiệp pin là vấn đề an toàn này, vì vậy có rất nhiều nỗ lực để cố gắng tạo ra chất điện phân an toàn cho pin". báo cáo đã xuất bản trong Matter.
Huang đã phát triển một chất điện phân không bắt lửa cho pin lithium-ion cùng với 19 nhà nghiên cứu khác tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng và Đại học Stanford. Công trình của họ đã chứng minh rằng pin chứa chất điện phân này tiếp tục hoạt động ở nhiệt độ cao mà không bắt lửa.
Bí mật của họ? Thêm muối.
Mặn AN TOÀN
Chất điện phân pin lithium-ion thông thường được làm từ muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ lỏng, chẳng hạn như ether hoặc cacbonat. Mặc dù dung môi này cải thiện hiệu suất của pin bằng cách giúp di chuyển các ion lithium xung quanh, nhưng nó cũng là một chất kích hoạt tiềm năng.
Pin tạo ra nhiệt khi chúng hoạt động. Và nếu có vết thủng hoặc khuyết tật trong pin, nó sẽ nóng lên nhanh chóng. Ở nhiệt độ trên 140 độ F, các phân tử nhỏ của dung môi trong chất điện phân bắt đầu bay hơi, chuyển từ chất lỏng sang khí và làm phồng pin như một quả bóng bay—cho đến khi khí bắt lửa và toàn bộ thứ bốc cháy.
Trong 30 năm qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển các chất điện phân không bắt lửa, chẳng hạn như chất điện phân polyme, sử dụng ma trận polyme thay vì dung dịch dung môi muối cổ điển để di chuyển các ion xung quanh. Tuy nhiên, những chất thay thế an toàn hơn này không di chuyển ion hiệu quả như dung môi lỏng, vì vậy hiệu suất của chúng không được đo lường bằng chất điện phân thông thường.
Nhóm muốn sản xuất một chất điện phân dựa trên polyme có thể mang lại cả sự an toàn và hiệu suất. Và Huang nảy ra một ý tưởng.
Cô quyết định bổ sung càng nhiều càng tốt một loại muối lithium có tên là LiFSI vào chất điện phân dựa trên polyme được thiết kế và tổng hợp bởi Jian-Cheng Lai, một học giả sau tiến sĩ tại Đại học Stanford và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.
“Tôi chỉ muốn xem mình có thể thêm bao nhiêu và kiểm tra giới hạn,” Huang nói. Thông thường, ít hơn 50% trọng lượng của chất điện phân dựa trên polyme là muối. Huang đã tăng con số đó lên 63%, tạo ra một trong những chất điện phân dựa trên polyme mặn nhất từ trước đến nay.
Không giống như các chất điện phân dựa trên polyme khác, chất này cũng chứa các phân tử dung môi dễ cháy. Tuy nhiên, chất điện phân tổng thể, được gọi là Chất điện phân không bắt lửa được neo bằng dung môi (SAFE), đã được chứng minh là không bắt lửa ở nhiệt độ cao trong quá trình thử nghiệm trong pin lithium-ion.
SAFE hoạt động vì dung môi và muối hoạt động cùng nhau. Các phân tử dung môi giúp dẫn ion, dẫn đến hiệu suất tương đương với hiệu suất của pin chứa chất điện phân thông thường. Tuy nhiên, thay vì hỏng hóc ở nhiệt độ cao như hầu hết các loại pin lithium-ion, pin chứa SAFE tiếp tục hoạt động ở nhiệt độ từ 77–212 độ F.
Trong khi đó, lượng muối dồi dào được bổ sung đóng vai trò như những cái neo cho các phân tử dung môi, ngăn không cho chúng bay hơi và bắt lửa.
Zhenan Bao, giáo sư tại Đại học Stanford và là điều tra viên của Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES), người cố vấn cho Huang, cho biết: “Phát hiện mới này chỉ ra một cách suy nghĩ mới cho thiết kế chất điện phân dựa trên polyme. "Chất điện phân này rất quan trọng để phát triển các loại pin trong tương lai vừa có mật độ năng lượng cao vừa an toàn."
ở gooey
Chất điện phân dựa trên polymer có thể ở dạng rắn hoặc lỏng. Điều quan trọng là dung môi và muối trong SAFE làm dẻo ma trận polyme của nó để biến nó thành chất lỏng giống như chất lỏng, giống như chất điện phân thông thường.
Một lợi ích: Chất điện phân dính có thể vừa với các bộ phận pin lithium-ion hiện có trên thị trường, không giống như các chất điện phân không bắt lửa khác đã xuất hiện. Ví dụ, các chất điện phân gốm trạng thái rắn phải sử dụng các điện cực được thiết kế đặc biệt, khiến việc sản xuất chúng trở nên tốn kém.
"Với SAFE, không cần phải thay đổi bất kỳ thiết lập sản xuất nào," Huang nói. "Tất nhiên, nếu nó được sử dụng để sản xuất thì cần phải tối ưu hóa để chất điện phân phù hợp với dây chuyền sản xuất, nhưng công việc này ít hơn nhiều so với bất kỳ hệ thống nào khác."
Yi Cui, giáo sư tại SLAC và Stanford, đồng thời là điều tra viên của SIMES, người cũng cố vấn cho Huang, cho biết: "Chất điện phân pin mới rất thú vị này tương thích với công nghệ tế bào pin lithium ion hiện có và sẽ có tác động lớn đến điện tử tiêu dùng và vận chuyển điện. "
Một ứng dụng của SAFE có thể là trong ô tô điện.
Nếu nhiều pin lithium-ion trong ô tô điện đặt quá gần nhau, chúng có thể làm nóng lẫn nhau, điều này cuối cùng có thể dẫn đến quá nhiệt và cháy. Tuy nhiên, nếu ô tô điện chứa pin chứa đầy chất điện phân như SAFE ổn định ở nhiệt độ cao, thì pin của ô tô điện có thể được đặt gần nhau mà không lo bị quá nóng.
Ngoài việc giảm thiểu rủi ro hỏa hoạn, điều này có nghĩa là ít không gian bị chiếm dụng bởi các hệ thống làm mát và nhiều không gian hơn cho pin. Nhiều pin hơn làm tăng mật độ năng lượng tổng thể, nghĩa là xe có thể chạy lâu hơn giữa các lần sạc.
"Vì vậy, nó không chỉ là một lợi ích an toàn," Huang nói. "Chất điện phân này cũng có thể cho phép bạn đóng gói nhiều pin hơn."
