Sửa một lỗ hổng tiềm ẩn có thể mở khóa pin tốt hơn cho xe điện
bởi John Sullivan, Đại học Princeton
Pin thể rắn mang lại lợi thế cho xe điện so với các phiên bản lithium ion truyền thống, được trình bày ở trên. Ảnh: Bumper DeJesus / Đại học Princeton
Pin thể rắn có thể đóng một vai trò quan trọng trong xe điện, hứa hẹn sạc nhanh hơn, phạm vi hoạt động lớn hơn và tuổi thọ cao hơn so với pin lithium-ion thông thường. Nhưng kỹ thuật sản xuất và xử lý vật liệu hiện tại khiến pin thể rắn dễ bị hỏng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một lỗ hổng ẩn đằng sau những thất bại. Bước tiếp theo là thiết kế vật liệu và kỹ thuật giải quyết những sai sót này và sản xuất pin thế hệ tiếp theo.
Trong pin ở trạng thái rắn, các hạt mang điện được gọi là ion di chuyển qua pin bên trong vật liệu rắn, trái ngược với pin lithium-ion truyền thống, trong đó các ion di chuyển trong chất lỏng. Các tế bào trạng thái rắn mang lại lợi thế, nhưng các biến thể cục bộ hoặc các lỗ hổng nhỏ trong vật liệu rắn có thể khiến pin bị mòn hoặc ngắn, theo phát hiện mới.
Trưởng nhóm nghiên cứu Kelsey Hatzell, trợ lý giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ và Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger cho biết: “Một chất liệu đồng nhất là rất quan trọng. "Bạn muốn các ion di chuyển với tốc độ như nhau tại mọi điểm trong không gian."
Trong một bài báo được xuất bản ngày 1 tháng 9 trên tạp chí Nature Materials, Hatzell và các đồng tác giả đã giải thích cách họ sử dụng các công cụ công nghệ cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne để kiểm tra và theo dõi những thay đổi của vật liệu quy mô nano trong pin trong khi thực sự sạc và xả pin. Nhóm nghiên cứu, đại diện cho Princeton Engineering, Vanderbilt và Argonne và Oak Ridge National Labs, đã kiểm tra các hạt được tạo thành từ các tinh thể trong chất điện phân rắn của pin, phần lõi của pin mà điện tích di chuyển qua đó. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng sự bất thường giữa các hạt có thể làm tăng tốc độ hỏng của pin bằng cách di chuyển các ion nhanh hơn đến vùng này trong pin so với vùng khác. Điều chỉnh cách tiếp cận chế biến và sản xuất vật liệu có thể giúp giải quyết các vấn đề về độ tin cậy của pin.
Pin lưu trữ năng lượng điện trong các vật liệu tạo nên các điện cực của nó: cực dương (phần cuối của pin được đánh dấu bằng dấu trừ) và cực âm (phần cuối của pin được đánh dấu bằng dấu cộng). Khi pin phóng điện để cung cấp năng lượng cho ô tô hoặc điện thoại thông minh, các hạt tích điện (được gọi là ion) di chuyển qua pin đến cực âm (đầu +). Chất điện phân, rắn hoặc lỏng, là con đường mà các ion đi giữa cực dương và cực âm. Nếu không có chất điện phân, các ion không thể di chuyển và tích trữ năng lượng ở cực dương và cực âm.
Trong pin thể rắn, chất điện phân thường là gốm hoặc thủy tinh dày đặc. Pin trạng thái rắn với chất điện phân rắn có thể tạo ra các vật liệu đậm đặc năng lượng hơn (ví dụ: kim loại lithium) và làm cho pin nhẹ hơn và nhỏ hơn. Trọng lượng, khối lượng và công suất sạc là những yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng vận tải như xe điện. Pin thể rắn cũng nên an toàn hơn và ít bị cháy hơn các dạng khác.
Các kỹ sư đã biết rằng pin thể rắn rất dễ bị hỏng ở chất điện phân, nhưng sự cố này dường như xảy ra một cách ngẫu nhiên. Hatzell và các nhà đồng nghiên cứu nghi ngờ rằng những hỏng hóc có thể không phải ngẫu nhiên mà thực sự là do những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của chất điện phân. Để khám phá giả thuyết này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đồng bộ hóa tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne để tạo ra tia X cực mạnh cho phép họ nhìn vào pin trong quá trình hoạt động. Họ đã kết hợp hình ảnh tia X và kỹ thuật nhiễu xạ năng lượng cao để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của chất điện phân garnet ở thang angstrom, gần bằng kích thước của một nguyên tử. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu những thay đổi trong ngọc hồng lựu ở cấp độ tinh thể.
Chất điện phân garnet bao gồm một tập hợp các khối xây dựng được gọi là ngũ cốc. Trong một chất điện phân đơn (đường kính 1mm) có gần 30.000 loại hạt khác nhau. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong 30.000 loại ngũ cốc, có hai cách sắp xếp cấu trúc chủ yếu. Hai cấu trúc này di chuyển các ion với tốc độ khác nhau. Ngoài ra, các hình thức hoặc cấu trúc khác nhau này "có thể dẫn đến độ dốc căng thẳng dẫn đến các ion di chuyển theo các hướng khác nhau và các ion tránh các bộ phận của tế bào", Hatzell nói.
Cô ấy ví sự chuyển động của các ion tích điện qua pin giống như nước di chuyển xuống một con sông và gặp một tảng đá làm dòng nước chuyển hướng. Các khu vực có nhiều ion di chuyển qua có xu hướng có mức độ căng thẳng cao hơn.
Hatzell nói: “Nếu bạn có tất cả các ion đi đến một vị trí, nó sẽ dẫn đến sự thất bại nhanh chóng. "Chúng ta cần kiểm soát vị trí và cách thức các ion di chuyển trong chất điện phân để tạo ra pin có tuổi thọ hàng nghìn chu kỳ sạc."
Hatzell cho biết có thể kiểm soát sự đồng đều của các loại ngũ cốc thông qua các kỹ thuật sản xuất và bằng cách thêm một lượng nhỏ các hóa chất khác nhau được gọi là dopants để ổn định các dạng tinh thể trong chất điện phân.
Bà nói: “Chúng tôi có rất nhiều giả thuyết chưa được kiểm chứng về cách bạn có thể tránh được những điều không đồng nhất này. "Nó chắc chắn sẽ là thách thức, nhưng không phải là không thể."
Bài báo, "Tính đa hình của chất điện phân rắn Garnet và những tác động của nó đối với cơ học chemo ở cấp độ hạt", đã được xuất bản trên tạp chí Nature Materials.
