Quá trình thăng hoa oxit lithium mở ra cánh cửa cho sản xuất pin rẻ hơn và nhanh hơn
Tác giả: JoAnna Wendel, Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Nghiên cứu hơi giữa tiền chất oxit Li2O và TMO. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01738-4
Một loại muối lithium thông thường đã tiết lộ những khả năng mới để sản xuất vật liệu pin rẻ hơn, bền hơn.
Phát hiện này tập trung vào quá trình thăng hoa, một quá trình thường được biết đến trong đó, trong điều kiện thích hợp, chất rắn sẽ trực tiếp chuyển thành hơi. Quá trình thăng hoa là quá trình tạo ra đuôi của sao chổi khi nó bay ngang qua mặt trời. Khi lớp vỏ băng của sao chổi nóng lên, băng ngay lập tức trở thành hơi, thay vì tan chảy thành nước lỏng trước.
Giờ đây, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã học hỏi từ thiên nhiên. Trong một phát hiện mới được công bố trên tạp chí Nature Energy, nhóm nghiên cứu do PNNL đứng đầu đã chỉ ra rằng hơi từ quá trình thăng hoa lithium oxide (Li2O) đẩy nhanh phản ứng hóa học tạo thành các tinh thể đơn khi trộn với các tiền chất giàu niken. Hơn nữa, quá trình thăng hoa chỉ diễn ra ở áp suất một atm, áp suất hàng ngày cảm nhận được ở mực nước biển. Người ta cho rằng vật liệu pin đơn tinh thể giúp pin sử dụng được lâu hơn.
"Khám phá này cung cấp một cách có khả năng nhanh hơn, hiệu quả hơn và rẻ hơn để mở rộng quy mô sản xuất pin lithium-ion giàu niken", Jie Xiao, đồng tác giả của bài báo và là thành viên Battelle, người có cuộc hẹn chung với PNNL và Đại học Washington, cho biết. Tại UW, Xiao là Giáo sư Boeing Martin của trường đại học tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí.
"Nghiên cứu cho chúng ta thấy cách khoa học vật liệu có thể được áp dụng để đơn giản hóa quy trình sản xuất", Xiao tiếp tục.
Các nhà khoa học gần đây đã phát hiện ra rằng quá trình thăng hoa của oxit lithium, khi trộn với tiền chất catốt giàu niken, tạo ra một cấu trúc tinh thể đơn có thể được sử dụng trong pin có tuổi thọ cao hơn. Nghiên cứu mới này cũng có thể giúp giảm chi phí sản xuất pin. Nguồn: Sara Levine / Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Lời hứa của niken
Việc tạo ra vật liệu cho pin cũng giống như việc nướng bánh: Kết hợp các thành phần phù hợp, áp dụng nhiệt và tạo ra thứ gì đó mới. Đối với pin, các nhà nghiên cứu săn lùng vật liệu để tạo ra điện cực dương và âm của pin (đôi khi được gọi tương ứng là catốt và anot). Điện cực dương hoạt động bằng cách tiếp nhận các ion và electron, tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị như đèn pin, máy tính xách tay, điện thoại di động hoặc thậm chí là ô tô và trung tâm dữ liệu.
Khi nhu cầu về các thiết bị có pin sạc tăng lên, các nhà khoa học liên tục tìm kiếm các vật liệu có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và kéo dài tuổi thọ hơn. Xiao cho biết pin lithium-ion thông thường bị giới hạn bởi chi phí và lượng năng lượng mà chúng có thể chứa. Để giảm chi phí, niken và mangan rẻ hơn thường được trộn với coban vào vật liệu pin.
Gần đây, các nhà nghiên cứu bao gồm nhóm PNNL của Xiao đã nghiên cứu cách kết hợp nhiều niken hơn vào cực âm của pin một cách hiệu quả về mặt chi phí. Niken có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn coban, do đó, việc tăng lượng niken trong pin lithium-ion giúp vật liệu tiết kiệm chi phí hơn. Niken cũng có thể giúp giảm chi phí mở rộng quy mô sản xuất cực âm.
Nhưng bất chấp những lợi ích của nó, việc sử dụng niken vẫn là một thách thức, Xiao cho biết. Vật liệu cực âm lithium giàu niken có xu hướng hình thành dưới dạng các kết tụ được gọi là "đa tinh thể", giống như một chiếc bánh quy chứa đầy vụn sô cô la. Các ranh giới giữa các tinh thể—giống như ranh giới giữa bánh quy và vụn sô cô la—trở nên yếu hơn khi pin xả và sạc. Theo thời gian, những điểm yếu này dẫn đến nứt, làm giảm tuổi thọ của pin.
Xiao cho biết "Bạn có thể tưởng tượng tất cả các hạt nhỏ đó kết tụ lại với nhau và chúng bị đẩy và kéo khi pin sạc và xả". "Chuyển động này có thể tạo ra các vết nứt, làm yếu pin".
Trong năm năm qua, Xiao và các đồng nghiệp đã tìm kiếm các vật liệu tạo thành cấu trúc tinh thể đơn, giống như một chiếc bánh quy sô cô la thông thường. Sô cô la vẫn ở đó, nhưng nó được phân phối đều khắp chiếc bánh quy thay vì đóng thành từng cục.
"Các catốt tinh thể đơn không có điểm yếu phát sinh từ các cấu trúc đa tinh thể", Xiao cho biết. "Vì vậy, chúng tôi hy vọng các tinh thể đơn sẽ giảm thiểu và cuối cùng loại bỏ tất cả các thách thức lớn trong vật liệu catốt giàu niken".
Bí ẩn của sự thăng hoa
Trong vài năm qua, nhóm của Xiao đã khám phá các loại muối lithium khác nhau do đối tác trong ngành Albemarle Corporation cung cấp. Trộn các thành phần muối này hoặc tiền chất với tiền chất giàu niken sẽ tạo ra vật liệu catốt. Một trong những phương pháp sản xuất phổ biến nhất là làm tan chảy muối lithium, sau đó phản ứng với tiền chất giàu niken. Đối với quy trình này, các nhà nghiên cứu đã ưu tiên lithium hydroxide (LiOH) vì nó có điểm nóng chảy thấp.
Ngược lại, Li2O có điểm nóng chảy cao ở mức 1.438 độ
Celsius, vì vậy nó hiếm khi được sử dụng để tổng hợp vật liệu catốt. Nhưng khi thử nghiệm với Li2O trong phòng thí nghiệm tổng hợp vật liệu của Xiao tại PNNL, một điều đáng ngạc nhiên đã xảy ra: khi kết hợp tiền chất giàu niken với Li2O ở nhiệt độ khoảng 900 độ C, vật liệu catốt đơn tinh thể dễ dàng hình thành.
Xiao và các đồng nghiệp của cô đã lặp lại phản ứng nhiều lần, cố gắng tìm ra cơ chế. Cuối cùng, họ chuyển sang đối tác trong ngành Thermo Fisher Scientific, người đã nghiên cứu phản ứng dưới một thiết bị gọi là MicroReactor. Với những quan sát đó và một thí nghiệm được thiết kế mới, nhóm đã có thể tiết lộ thành công hiện tượng thăng hoa.
"Chúng tôi rất vui mừng khi ghi lại phản ứng giữa Li2O và tiền chất trong kính hiển vi", Libor Novák, nhà phát minh ra MicroReactor tại Thermo Fisher Scientific cho biết.
Nghiên cứu mới xác nhận cơ chế này được thúc đẩy bởi quá trình thăng hoa Li2O. Trong trường hợp nướng bánh, nó giống như việc kết hợp bột bánh quy với sô cô la bốc hơi. Khi bạn cắt đôi chiếc bánh quy, không có miếng sô cô la nào, chỉ là một chiếc bánh quy sô cô la không có ranh giới rõ ràng.
"Hơi có thể thấm vào mọi nơi, ngay vào các lỗ chân lông hoặc bề mặt của các tiền chất khác và phản ứng ngay lập tức", Xiao cho biết. "Các tinh thể đơn lẻ hình thành nhanh hơn nhiều khi có hơi đó".
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thêm hiện tượng thăng hoa Li2O để chuyển đổi trực tiếp các tinh thể đa tinh thể đã qua sử dụng thành các tinh thể đơn lẻ chỉ thông qua quá trình trộn và đun nóng. Sự hình thành thành công các tinh thể đơn lẻ mới cho thấy muối Li2O đơn giản hóa đáng kể quá trình tái chế các tinh thể đa tinh thể đã qua sử dụng hoặc thải bỏ. Xiao cho biết, đặc biệt đối với những phế liệu từ dây chuyền sản xuất, chúng có thể nhanh chóng được "làm lại" thành các tinh thể đơn hiệu suất cao bằng thành phần muối này.
Hơn nữa, các tinh thể đơn lẻ mới, từ các tiền chất mới hoặc từ các tinh thể đa tinh thể đã qua sử dụng, đã chịu được 1.000 chu kỳ sạc/xả—có nghĩa là chúng có thể duy trì ổn định trong thời gian dài.
Lợi ích tiềm năng cho sản xuất
Với thời gian và năng lượng tiết kiệm được, cộng với hiệu suất cao của các tinh thể đơn có nguồn gốc từ Li2O, khám phá này mở ra một cách mới để sản xuất các tinh thể đơn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi có thể sản xuất bất kỳ loại pin nào, Xiao cho biết. Vì Li2O không được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu nên chi phí sử dụng thương mại hiện tại quá cao. Tuy nhiên, Xiao lưu ý rằng Li2O dễ dàng được sản xuất bằng cách xử lý các muối lithium khác, chẳng hạn như LiOH.
Với các đối tác trong ngành, Xiao và nhóm của cô hiện đang nỗ lực mở rộng quy mô quy trình với chi phí sản xuất thấp hơn. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ cung cấp các tinh thể đơn cho các đối tác chiến lược của họ vào năm 2026.
