Một nhóm ở Cornell Engineering đã tạo ra một loại pin lithium mới có thể sạc trong vòng chưa đầy 5 phút—nhanh hơn bất kỳ loại pin nào trên thị trường—trong khi vẫn duy trì hiệu suất ổn định qua các chu kỳ sạc và xả kéo dài.
Nhà cung cấp: Joule (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2023.12.022
Bước đột phá này có thể làm giảm bớt “sự lo lắng về phạm vi di chuyển” của những người lái xe lo lắng xe điện không thể di chuyển quãng đường dài nếu không tốn thời gian sạc lại.
Lynden Archer, James A. Friend Family của Cornell cho biết: “Lo lắng về phạm vi là rào cản lớn hơn đối với điện khí hóa trong giao thông vận tải so với bất kỳ rào cản nào khác, như chi phí và công suất của pin, và chúng tôi đã xác định được cách để loại bỏ nó bằng cách sử dụng các thiết kế điện cực hợp lý”. Giáo sư Kỹ thuật xuất sắc và trưởng khoa Kỹ thuật Cornell, người giám sát dự án. "Nếu bạn có thể sạc pin xe điện trong 5 phút, ý tôi là, Chúa ơi, bạn không cần phải có cục pin đủ lớn cho phạm vi 300 dặm. Bạn có thể mua ít hơn, điều này có thể giảm chi phí của xe điện, cho phép áp dụng rộng rãi hơn."
Bài báo của nhóm, "Bộ nhớ sạc nhanh, thời lượng dài trong pin lithium", được xuất bản vào ngày 16 tháng 1 trên tạp chí Joule. Tác giả chính là Shuo Jin, một nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học.
Pin lithium-ion là một trong những phương tiện cung cấp năng lượng cho xe điện và điện thoại thông minh phổ biến nhất. Pin nhẹ, đáng tin cậy và tương đối tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, chúng mất nhiều giờ để sạc và không có khả năng xử lý dòng điện tăng đột biến.
Jin cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra các thiết kế điện cực pin có thể sạc và xả theo cách phù hợp với thói quen hàng ngày”. "Về mặt thực tế, chúng tôi mong muốn các thiết bị điện tử của mình sạc nhanh và hoạt động trong thời gian dài. Để đạt được điều này, chúng tôi đã xác định được một loại vật liệu cực dương indium độc đáo có thể kết hợp hiệu quả với nhiều vật liệu cực âm khác nhau để tạo ra một loại pin sạc nhanh và xả chậm. ."
Phòng thí nghiệm của Archer trước đây đã tiếp cận thiết kế pin bằng cách tập trung vào cách các ion di chuyển trong chất điện phân và kết tinh ở các bề mặt tiếp xúc của cực dương kim loại, sau đó sử dụng kiến thức này để điều khiển hình thái điện cực nhằm tạo ra cực dương an toàn hơn cho việc lưu trữ trong thời gian dài.
Đối với pin lithium mới, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một chiến lược khác và tập trung vào động học của các phản ứng điện hóa, đặc biệt sử dụng khái niệm kỹ thuật hóa học gọi là "số Damköhler". Đây thực chất là thước đo tốc độ xảy ra phản ứng hóa học, liên quan đến tốc độ vật liệu được vận chuyển đến vị trí phản ứng.
Việc xác định các vật liệu điện cực của pin có tốc độ truyền tải ở trạng thái rắn vốn đã nhanh và do đó số Damköhler thấp đã giúp các nhà nghiên cứu xác định indium là một vật liệu có triển vọng đặc biệt cho pin sạc nhanh. Indium là một kim loại mềm, chủ yếu được sử dụng để làm lớp phủ oxit thiếc indi cho màn hình cảm ứng và tấm pin mặt trời. Nó cũng được sử dụng để thay thế chì trong chất hàn nhiệt độ thấp.
Nghiên cứu mới cho thấy indium có hai đặc điểm quan trọng dùng làm cực dương của pin: hàng rào năng lượng di chuyển cực thấp, thiết lập tốc độ khuếch tán của các ion ở trạng thái rắn; và mật độ dòng trao đổi khiêm tốn, liên quan đến tốc độ khử các ion ở cực dương. Sự kết hợp của những đặc tính đó—khuếch tán nhanh và động học phản ứng bề mặt chậm—là điều cần thiết để sạc nhanh và bảo quản trong thời gian dài.
