Pin Lithium-ion: Một kích thước không phù hợp với tất cả các ứng dụng hoặc trong đánh giá
bởi Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Một bài báo của nhóm nghiên cứu Đại học Công nghệ Thiên Tân đã sử dụng các kỹ thuật hiển vi điện tử tiên tiến khác nhau và các kỹ thuật xác định đặc tính để làm rõ hai cơ chế dựa trên cấu trúc của pin lithium-ion. Nhà cung cấp hình ảnh: Năng lượng Nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Nhìn thấy là tin - hay đúng hơn, nhìn thấy có thể giúp hiểu biết, đặc biệt là khi nói đến cơ chế làm nền tảng cho pin lithium-ion. Mặc dù được sử dụng gần như phổ biến trong điện thoại di động, máy tính và hơn thế nữa, nhưng môi trường điện hóa phức tạp của pin lithium-ion vẫn rất âm u.
Để hiểu rõ hơn và cải thiện hiệu suất của pin, các nhà nghiên cứu đã xem xét các tài liệu khoa học hiện tại và sử dụng kính hiển vi điện tử để xem xét kỹ hơn các cơ chế di chuyển điện tích và di chuyển lithium-ion tạo ra năng lượng. Nghiên cứu này đã được công bố trên Nano Research Energy.
"Pin lithium-ion thương mại được sử dụng rộng rãi làm thiết bị lưu trữ năng lượng, bao gồm xe điện, thiết bị điện tử cầm tay và lưu trữ năng lượng lưới", Yi Ding, giáo sư Đại học Công nghệ Thiên Tân, cho biết. "Năng lượng, công suất, tốc độ phóng điện, chi phí, vòng đời, an toàn và tác động môi trường phải được xem xét khi sử dụng pin lithium-ion cho một ứng dụng phù hợp, nhưng mỗi ứng dụng cụ thể phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau."
Lượng năng lượng được lưu trữ quan trọng đối với thiết bị điện tử xách tay, trong khi giá thành và độ an toàn quan trọng hơn đối với xe điện. Chi phí và an toàn cũng rất quan trọng đối với nhu cầu năng lượng của lưới điện, nhưng mật độ năng lượng trở nên ít hơn so với xe điện. Sự cân bằng giữa các yếu tố này thay đổi dựa trên nhu cầu, nhưng khả năng điều chỉnh hiệu suất bị hạn chế bởi sự hiểu biết không đầy đủ về các vật liệu được sử dụng trong pin.
Ding nói: “Các vật liệu điện cực hoạt động là thành phần chính chịu trách nhiệm về hóa học và hiệu suất của tế bào, và cuối cùng, ảnh hưởng đến việc thương mại hóa pin được chế tạo.
"Các hiệu suất, chẳng hạn như tuổi thọ chu kỳ và mật độ năng lượng, của các hệ thống vật liệu điện cực thương mại hiện có vẫn cần được cải thiện, vì vậy điều quan trọng là phải hiểu các đặc tính vật lý và hóa học vốn có, chẳng hạn như sự tiến hóa cấu trúc / động học trong quá trình khử nhúng lithium và ảnh hưởng của giao diện điện cực-chất điện phân đến hiệu suất của pin lithium-ion. "
Các nhà nghiên cứu đã xem xét những tiến bộ gần đây trong kính hiển vi điện tử để xem các kỹ thuật xác định đặc tính truyền thống đo lường như thế nào khi hiểu được mối quan hệ cấu trúc-hoạt động của pin lithium-ion thương mại.
"Bằng cách so sánh với nội dung đặc trưng thu được bằng các kỹ thuật đặc trưng truyền thống, chẳng hạn như nhiễu xạ tia X và quang phổ quang điện tử tia X, chúng tôi minh họa những ưu điểm và hạn chế của các kính hiển vi điện tử thông thường và các kỹ thuật xác định đặc tính của kính hiển vi điện tử tiên tiến được phát triển gần đây, chẳng hạn như điện tử tại chỗ Ding nói.
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra cách thức kính hiển vi điện tử tiên tiến và các kỹ thuật mô tả đặc tính liên quan có thể cung cấp những hiểu biết khác nhau về cách thức, ví dụ, các ion lithium di chuyển trong pin để tạo ra điện tích hoặc cách thức truyền điện tích có thể kích hoạt sử dụng năng lượng.
Họ đặc biệt tập trung vào quá trình hòa tan kim loại chuyển tiếp và cơ chế truyền điện tích trong quá trình sạc-xả của các điện cực dương pin lithium-ion; cấu trúc và sự phát triển của các giao diện cathode-điện cực và interphase chất điện ly rắn trong chu kỳ dài hạn; và ảnh hưởng của cấu trúc và bề mặt điện cực đối với sự di chuyển của ion lithium.
Theo Ding, kết luận là cần phải có các công nghệ pin lithium-ion thế hệ tiếp theo với chi phí và hiệu suất tốt hơn.
“Chúng tôi đề xuất khả năng kết hợp kính hiển vi điện tử với các kỹ thuật khác để thu được thông tin toàn diện hơn,” Ding nói và lưu ý rằng kính hiển vi điện tử có ba hạn chế phổ biến trong việc đánh giá pin.
Chúng bao gồm môi trường điện hóa không nhất quán giữa trường hiển vi điện tử và pin thực tế; cửa sổ thời gian không ổn định có thể làm sai lệch dữ liệu liên quan đến sự tiến hóa của mẫu; và một số loại pin nhất định không thể được đánh giá định lượng ở cấp độ nano. Các nhà nghiên cứu lưu ý: "Ngay cả khi có những hạn chế, những cuộc thảo luận này cho phép các nhà nghiên cứu hiểu sâu hơn về cách thức hoạt động của pin lithium-ion thương mại ở quy mô nhỏ và cung cấp hướng dẫn cho các chiến lược thiết kế cho pin thực tế hiệu suất cao".
