Tăng tốc khả năng sạc cực nhanh trong pin lithium-ion
bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản
Trong nỗ lực cải thiện hiệu suất của pin lithium-ion, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản đã tổng hợp một chất kết dính polyelectrolyte dạng nước loại borat lithium cho cực dương than chì. Chất kết dính mới của họ đã giúp cải thiện khả năng khuếch tán Li-ion và trở kháng thấp hơn so với pin thông thường. Ảnh: Noriyoshi Matsumi từ JAIST
Xã hội hiện tại đang chuyển đổi ồ ạt từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn tài nguyên tái tạo và pin điện. Bất chấp sự cấp bách phải chuyển sang các phương pháp xanh hơn, những thách thức cốt lõi liên quan đến hiệu quả và tính bền vững vẫn là một trở ngại cần vượt qua. Ví dụ, việc sử dụng pin lithium-ion (Li-ion) trên thị trường đại chúng để sử dụng cho xe điện đang bị cản trở bởi tốc độ sạc chậm của chúng. Sạc nhanh "cực đỉnh" (trong đó 80% pin được sạc trong vòng 10 phút), mật độ năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ là những tính năng "chén thánh" mà ngành công nghiệp ô tô tìm kiếm ở pin.
Để kích hoạt khả năng sạc nhanh trong pin, các nhà nghiên cứu từ lâu đã cố gắng tăng cường quá trình truyền khối lượng của chất điện phân và sự truyền điện tích trong các điện cực, với nghiên cứu sâu rộng được thực hiện trên điện cực so với điện cực. Giờ đây, một nghiên cứu của một nhóm các nhà nghiên cứu, do Giáo sư Noriyoshi Matsumi từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đứng đầu, đã giới thiệu một phương pháp mới để tạo điều kiện sạc nhanh bằng cách sử dụng vật liệu kết dính thúc đẩy sự xen kẽ Li-ion của vật liệu hoạt động. Vật liệu kết dính giúp cải thiện khả năng khuếch tán của các ion Li đã khử qua bề mặt chất điện phân rắn (SEI) và bên trong vật liệu cực dương, đồng thời mang lại độ dẫn điện cao, trở kháng thấp và độ ổn định tốt.
Nhóm bao gồm Cựu Giảng viên cao cấp Rajashekar Badam, Nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ Anusha Pradhan, Cựu Nghiên cứu sinh Ryoya Miyairi, và Nghiên cứu sinh Tiến sĩ Noriyuki Takamori từ JAIST. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí ACS Materials Letters.
"Chiến lược hiện tại của chúng tôi là sử dụng polymer borat lithium có nguồn gốc sinh học làm chất kết dính polyelectrolyte dạng nước để tăng cường truyền điện tích trong các điện cực như cực dương than chì thể hiện khả năng sạc nhanh", các tác giả tương ứng, Giáo sư. Matsumi và Badam của JAIST.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu về pin tập trung vào thiết kế vật liệu hoạt tính và cải thiện khả năng chuyển khối lượng của chất điện phân, thì nghiên cứu hiện tại cung cấp một cách tiếp cận khác thông qua thiết kế vật liệu kết dính cụ thể nhằm thúc đẩy sự xen kẽ lithium-ion của vật liệu hoạt tính. Giáo sư Matsumi giải thích: "Vật liệu kết dính bao gồm lithium borat có khả năng phân ly cao, giúp cải thiện sự khuếch tán lithium-ion trong ma trận cực dương. Hơn nữa, chất kết dính này có thể tạo thành SEI organoboron, cho thấy điện trở tiếp xúc rất thấp khi so sánh với các tế bào pin thông thường".
Vai trò của các hợp chất bo (chẳng hạn như bo tứ phân trong chất kết dính và SEI giàu bo) là hỗ trợ quá trình phân hủy các ion Li+ bằng cách giảm năng lượng kích hoạt của quá trình phân hủy Li+ từ vỏ dung môi tại SEI. Ngoài ra, với độ khuếch tán cao và trở kháng thấp, điện thế quá mức liên quan đến truyền điện tích tại giao diện sẽ giảm. Tiến sĩ Anusha Pradhan của JAIST, tác giả đầu tiên của bài báo, giải thích: "Đây là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng sạc cực nhanh".
Nói chung, khi quá trình sạc vượt quá tốc độ xen kẽ, quá trình mạ Li xảy ra trên các điện cực than chì. Đó là một quá trình không mong muốn dẫn đến giảm tuổi thọ pin và hạn chế khả năng sạc nhanh. Trong nghiên cứu này, sự khuếch tán được cải thiện của các ion qua SEI và trong các điện cực đã hạn chế sự phân cực nồng độ của các ion Li+—dẫn đến việc không có lớp mạ trên than chì.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu không chỉ trình bày một chiến lược mới cho pin sạc tốc độ cực cao và giảm điện trở bề mặt, mà họ còn sử dụng một loại polyme sinh học có nguồn gốc từ axit caffeic. Một hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, axit caffeic là nguồn nguyên liệu bền vững và an toàn với môi trường. Do đó, trong khi thị trường cho các loại pin này phát triển mạnh mẽ, việc sử dụng các nguồn tài nguyên sinh học trong các loại pin này cũng sẽ làm giảm lượng khí thải carbon dioxide.
Làm nổi bật các khả năng chính của cấu trúc được sử dụng trong nghiên cứu này, Giáo sư Matsumi cho biết thêm: "Trong các nghiên cứu trong tương lai, chất kết dính của chúng tôi cũng có thể được kết hợp với các vật liệu hoạt tính có tốc độ cao để tạo ra hiệu ứng hiệp đồng hơn nữa trong việc nâng cao hiệu suất."
Với việc tăng cường nghiên cứu về hiệu suất của pin, người ta có thể sớm mong đợi các lựa chọn xanh hơn trong cách chúng ta sử dụng năng lượng, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. "Thông qua công nghệ pin sạc tốc độ cao, mọi người sẽ thích xe điện và các thiết bị di động tiện lợi. Vì việc sử dụng tài nguyên tái tạo sẽ duy trì tính khả dụng của sản phẩm trong [một] thời gian dài], bất kể nguồn tài nguyên hóa thạch có sẵn hay không và ... hoàn cảnh xã hội," Giáo sư Matsumi kết luận
