Pin xe điện có thể tăng cường lớn với lớp phủ polymer mới
Các nhà nghiên cứu của Berkeley Lab đã chứng minh rằng lớp phủ HOS-PFM ngăn chặn đáng kể các điện cực dựa trên nhôm xuống cấp trong quá trình đạp pin trong khi cung cấp dung lượng pin cao trên 300 chu kỳ. Từ trái qua: Quét hình ảnh kính hiển vi điện tử của nhôm trên thiết bị hai lớp đồng trước khi đạp pin (Hình A) và sau (Hình B). Hình C cho thấy một thiết bị ba lớp đồng với lớp phủ HOS-PFM sau khi đạp pin. Nguồn: Năng lượng tự nhiên (2023). Doi: 10.1038/s41560-022-01176-6
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã phát triển một lớp phủ polymer dẫn điện được gọi là HOS-PFM, có thể cho phép pin lithium-ion mạnh hơn, mạnh hơn cho xe điện.
"Sự tiến bộ mở ra một cách tiếp cận mới để phát triển pin EV có giá cả phải chăng và dễ sản xuất hơn", Gao Liu, một nhà khoa học cao cấp trong khu vực Công nghệ Năng lượng của Berkeley Lab cho biết.
Lớp phủ HOS-PFM tiến hành cả electron và ion cùng một lúc. Điều này đảm bảo độ ổn định của pin và tốc độ xả/xả cao trong khi tăng cường thời lượng pin. Lớp phủ cũng cho thấy lời hứa như một chất kết dính pin có thể kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion từ trung bình 10 năm lên khoảng 15 năm, Liu nói thêm.
Để chứng minh các đặc tính dẫn và chất kết dính vượt trội của HOS-PFM, Liu và nhóm của anh ấy phủ điện cực nhôm và silicon bằng HOS-PFM, và đã thử nghiệm hiệu suất của chúng trong thiết lập pin lithium-ion.
Silicon và nhôm là vật liệu điện cực đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion vì khả năng lưu trữ năng lượng cao và hồ sơ nhẹ. Nhưng những vật liệu rẻ tiền và phong phú này nhanh chóng bị hao mòn sau nhiều chu kỳ sạc/xả.
Chất kết dính dẫn điện HOS-PFM được làm từ một polymer không độc hại biến đổi ở cấp độ nguyên tử để đáp ứng với nhiệt. Trước khi gia nhiệt: Ở nhiệt độ phòng (20 độ C, chuỗi kết thúc alkyl (đường squiggly màu đen) trên chuỗi polymer PFM giới hạn chuyển động của các ion lithium (vòng tròn màu đỏ). Sau khi sưởi ấm: Khi được làm nóng đến khoảng 450 độ Celsius (842 độ Fahrenheit), các chuỗi cuối alkyl tan chảy, tạo ra các vị trí dính trống (các đường squiggly màu xanh) mà lấy các vật liệu silicon hoặc nhôm ở mức nguyên tử. Sau đó, chuỗi polymer của PFM sau đó tự lắp ráp thành các sợi giống như spaghetti được gọi là các cấu trúc được đặt hàng theo thứ bậc, hoặc HOS. Giống như một đường cao tốc nguyên tử, các chuỗi HOS-PFM cho phép các ion lithium quá giang một chuyến đi với các electron (vòng tròn màu xanh). Các ion và electron lithium này di chuyển trong sự đồng bộ dọc theo các chuỗi polymer dẫn điện được căn chỉnh. Tín dụng: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Trong các thí nghiệm tại nguồn ánh sáng tiên tiến và xưởng đúc phân tử, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng lớp phủ HOS-PFM ngăn chặn đáng kể các điện cực dựa trên silicon và nhôm giảm xuống trong quá trình đạp pin trong khi cung cấp dung lượng pin cao trên 300 chu kỳ, tốc độ hiệu suất ngang tầm với với các điện cực hiện đại ngày nay.
Kết quả rất ấn tượng, Liu nói, bởi vì các tế bào lithium-ion dựa trên silicon thường tồn tại trong một số lượng hạn chế của chu kỳ điện tích/phóng điện và tuổi thọ lịch. Các nhà nghiên cứu gần đây đã mô tả những phát hiện này trong tạp chí Nature Energy.
Lớp phủ HOS-PFM có thể cho phép sử dụng các điện cực chứa tới 80% silicon. Hàm lượng silicon cao như vậy có thể làm tăng mật độ năng lượng của pin lithium-ion ít nhất 30%, Liu nói. Và vì silicon rẻ hơn than chì, vật liệu tiêu chuẩn cho các điện cực ngày nay, pin rẻ hơn có thể làm tăng đáng kể sự sẵn có của xe điện ở cấp nhập cảnh, ông nói thêm.
Nhóm tiếp theo có kế hoạch làm việc với các công ty để mở rộng HOS-PFM để sản xuất hàng loạt.
