Pin thể rắn: Lớp vật liệu mới có khả năng dẫn ion tuyệt vời
bởi Đại học Kỹ thuật Munich
Tiến sĩ Anatoliy Senyshyn bên máy đo nhiễu xạ bột SPODI tại FRM II. Ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) đã phát hiện ra một loại vật liệu có độ dẫn điện trên mức trung bình. Đây là một bước tiến quyết định trong quá trình phát triển pin thể rắn hiệu suất cao. Các cuộc điều tra được tiến hành tại Cơ quan Nghiên cứu Nguồn Neutron Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) đã đóng góp thiết yếu cho khám phá này.
Pin của tương lai sẽ phải đáp ứng những kỳ vọng cao: Chúng sẽ phải nhẹ hơn và hoạt động tốt hơn, có tuổi thọ dài hơn, an toàn hơn và cũng ít bị lỗi hơn.
Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang theo đuổi những mục tiêu này bằng cách sử dụng công nghệ thể rắn: Pin thể rắn không chứa chất lỏng, trái ngược với pin sạc truyền thống, trong đó các ion lithium di chuyển qua chất điện phân lỏng từ cực dương sang cực âm và ngược lại. Ngược lại, chất điện phân trong pin thể rắn là một chất rắn không thể rò rỉ cũng như không cháy. Ngoài ra, chất điện phân rắn này giúp giảm trọng lượng pin, về mặt lý thuyết, nó trở thành một giải pháp thay thế lý tưởng.
Giáo sư Thomas Fässler của TUM Giáo sư về Hóa học Vô cơ Tập trung vào Vật liệu Mới cho biết: “Nhưng trên thực tế, các chất điện phân ở trạng thái rắn hiện có, chủ yếu là gốm oxy hóa hoặc các hợp chất dựa trên lưu huỳnh, đã được chứng minh là không thể đáp ứng hoàn toàn mong đợi”.
Cùng với nhóm của mình và hợp tác chặt chẽ với TUMint·Energy Research GmbH, anh ấy đang tìm kiếm chất điện phân hiệu quả hơn: "Vấn đề là các ion lithium chỉ khuếch tán chậm qua các vật liệu rắn. Mục tiêu của chúng tôi là hiểu rõ hơn về sự vận chuyển ion và sau đó sử dụng chất này kiến thức để tăng độ dẫn điện."
Một lớp phấn nhẹ cho thấy lời hứa
Kết quả của những nỗ lực của họ là một loại bột kết tinh là chất dẫn điện trên mức trung bình của các ion lithium. Nó không chứa lưu huỳnh, mà là phốt pho, nhôm và một tỷ lệ tương đối cao của lithium. Các phép đo trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng loại chất trước đây bị bỏ qua này có độ dẫn điện cao.
Trong một khoảng thời gian rất ngắn, các nhà hóa học đã tạo ra thành công khoảng một chục hợp chất mới, có liên quan, ví dụ như chứa silicon hoặc thiếc thay vì nhôm. Cơ sở vật liệu mới rộng rãi này giúp tối ưu hóa nhanh chóng các đặc tính vật liệu.
Và tại sao những vật liệu này dẫn ion tốt như vậy? Fässler giải thích: “Để trả lời câu hỏi này, các quá trình diễn ra bên trong các tinh thể phải được hiển thị rõ ràng. "Nhưng điều đó là không thể với thiết bị phòng thí nghiệm bình thường, vì các nguyên tử lithium rất nhẹ. Kết quả là chúng không thể được định vị chính xác bằng bức xạ tia X."
Chi tiết hơn với chùm neutron
Giải pháp: chùm nơ-tron. "Các neutron mà chúng ta có từ lò phản ứng nghiên cứu giúp chúng ta có thể tìm thấy ngay cả những nguyên tử nhẹ nhất. Điều này là do các neutron tương tác với hạt nhân của nguyên tử chứ không phải với vỏ nguyên tử, như trường hợp của bức xạ tia X." Tiến sĩ Anatoliy Senyshyn, người giám sát máy đo nhiễu xạ bột tại FRM II, được sử dụng để phân tích vật liệu điện phân mới cho biết.
"Trước đây, chúng tôi đã nghiên cứu nhiều thành viên của họ chất dẫn ion lithium rắn mới và đa dạng. Chúng tôi có thể sử dụng nhiễu xạ neutron để hình dung cách các ion sử dụng không gian trống trong mạng tinh thể để di chuyển."
Trong lớp chất mới các khoảng trống này được sắp xếp sao cho các ion có thể chuyển động tốt như nhau theo mọi hướng. Đây là kết quả của mức độ đối xứng cao được tìm thấy trong các tinh thể và có thể là nguyên nhân gây ra tính dẫn điện lithium siêu dị mà nhóm TUM hiện đã có thể quan sát được.
Fässler cho biết, bột tổng hợp là ứng cử viên chất điện phân có triển vọng cao cho pin thể rắn trong tương lai. "Nghiên cứu cơ bản của chúng tôi có khả năng đẩy nhanh quá trình phát triển pin hiệu suất cao hơn."
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.
