Thế hệ vật liệu mới về cực dương thế hệ tiếp theo giúp tăng cường pin lithium-ion
Sơ đồ minh họa của chất điện phân rắn LiCPON và cực dương hỗn hợp silicon-monoxide-carbon và cấu trúc hệ quả sau quá trình đạp xe của pin. Nguồn: Nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Hiệu suất của pin lithium-ion sẽ rất cần thiết để làm cho quá trình chuyển đổi sạch trở nên rẻ hơn và dễ dàng hơn, do đó đòi hỏi một thế hệ vật liệu mới cho cực dương trong các loại pin đó. Một trong những lựa chọn hoạt động tốt nhất, hỗn hợp silicon-monoxide-carbon, gặp phải một loạt phản ứng hóa học không mong muốn. Một kỹ thuật chuẩn bị mới cho vật liệu cực dương này dường như cuối cùng đã giải quyết được vấn đề.
Việc tìm kiếm thế hệ vật liệu tiếp theo cho cực dương trong pin lithium-ion từ lâu đã phải chịu một loạt phản ứng hóa học ký sinh đối với nhiều chất thay thế được đề xuất cho than chì được sử dụng thông thường. Một kỹ thuật chuẩn bị mới cho vật liệu composite silicon-monoxide-carbon cuối cùng có vẻ sẽ mang lại mức tăng hiệu quả mong muốn mà không có phản ứng phụ không mong muốn nào.
Một bài báo mô tả quy trình đã xuất hiện trên tạp chí Nano Research.
Kể từ cuối những năm 1990, hầu hết các nhà sản xuất pin lithium-ion đã sử dụng than chì làm cực dương của pin (cực âm mà dòng điện đi vào pin), thay thế than luyện cốc. Việc chuyển từ than cốc sang than chì, một dạng carbon, được thực hiện do tính ổn định lâu dài của nó qua nhiều chu kỳ nạp và xả.
Tuy nhiên, để tiếp tục cải thiện hiệu suất của pin lithium-ion (và nhờ đó giúp quá trình chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ hơn và khả thi hơn), các nhà sản xuất pin sẽ cần có cực dương thậm chí còn tốt hơn.
Một trong những chất thay thế vật liệu cực dương được quảng cáo rộng rãi cho than chì là các hợp chất dựa trên silicon do khả năng riêng cao (tốc độ phóng điện) và sự phong phú trong vỏ trái đất. Silicon monoxide nói riêng đã cho thấy nhiều hứa hẹn đối với thế hệ pin lithium-ion năng lượng cao tiếp theo.
Bất chấp lời hứa này, bản thân silicon monoxide cũng có một loạt nhược điểm, nhất là tính dẫn điện thấp vốn có và sự thay đổi lớn về kích thước (thể tích) trong quá trình sạc và xả. Những thay đổi về khối lượng lên đến 300 phần trăm này dẫn đến sự phá hủy và bong tróc vật liệu cực dương, làm giảm hiệu suất triệt để.
"Tuy nhiên, nếu silicon monoxide được kết hợp trong một vật liệu tổng hợp với carbon—một kiểu kết hợp giữa vật liệu cực dương than chì hiện tại và cực dương dựa trên silicon thế hệ tiếp theo, thì chúng tôi có thể là người chiến thắng," Zhengwen Fu, một nhà khoa học cho biết. đồng tác giả của nghiên cứu và là nhà điện hóa học tại Phòng thí nghiệm trọng điểm về xúc tác phân tử và vật liệu sáng tạo Thượng Hải tại Đại học Phúc Đán. "Hỗn hợp cung cấp những gì tốt nhất của cả hai thế giới. Nhưng ngay cả ở đây, vẫn có nhiều trở ngại phải vượt qua."
Carbon mang lại lợi ích về tính dẫn điện cao và tính ổn định cấu trúc đã nói ở trên, đồng thời cũng trải qua sự giãn nở thể tích nhỏ hơn nhiều trong quá trình đạp xe. Tính linh hoạt và khả năng bôi trơn của nó cũng có tác dụng ức chế sự giãn nở thể tích của silicon. Nhìn chung, cực dương tổng hợp mang lại công suất tốt và hiệu suất đạp xe cao.
Thật không may, việc giải quyết một loạt vấn đề chỉ tạo ra một vấn đề khác: cực dương hỗn hợp silicon-monoxide-carbon chịu hiệu suất coulomb tương đối kém. Hiệu suất coulomb, đôi khi được gọi là hiệu suất hiện tại, đề cập đến tỷ lệ giữa tổng điện tích đưa vào pin so với tổng điện tích được lấy ra từ pin. (Coulomb là thuật ngữ được sử dụng để mô tả một đơn vị điện tích) Sẽ luôn có ít điện tích lấy ra hơn so với đưa vào, nhưng mục tiêu là hạn chế những tổn thất không thể tránh khỏi đó ở mức tối thiểu.
Hiệu suất coulomb có tầm quan trọng đặc biệt đối với việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí cho lượng pin khổng lồ mà chúng ta sẽ cần để điện khí hóa các phương tiện và hệ thống lưu trữ năng lượng để sao lưu các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau như gió và mặt trời.
Trong chu kỳ đầu tiên của pin lithium-ion sử dụng cực dương hỗn hợp silicon-monoxide-carbon, một số lithium phản ứng không thuận nghịch với hỗn hợp, tạo ra 'các sản phẩm thoái hóa' tạo thành một lớp giữa bề mặt của cực dương và chất điện phân được gọi là chất rắn. điện phân xen kẽ, hoặc SEI. Quá trình 'lithi hóa' ký sinh này dẫn đến mất đi lithium hoạt động cũng như hiệu suất coulomb.
Để vượt qua những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật mới cho 'tiền lithi hóa', trong đó họ lưu trữ thêm lithium trong pin trước để bù cho lượng lithium tiêu thụ bởi các phản ứng ký sinh trong chu kỳ của pin. Các nhà nghiên cứu khác đã phát triển các kỹ thuật tiền in hóa thạch của riêng họ, thường liên quan đến lithium kim loại nguyên chất, lithium kim loại biến tính hoặc hợp chất có chứa lithium.
Tất cả những cách tiếp cận này đều có những hạn chế riêng. Ví dụ, các hợp chất chứa liti có xu hướng giải phóng khí sau khi thắp sáng gián đoạn trong quá trình đạp xe, làm giảm hiệu suất của cực dương và mật độ năng lượng của toàn bộ pin.
Kỹ thuật tiền in hóa thạch mới, mà các nhà nghiên cứu gọi là "sự ăn mòn ở trạng thái rắn của lithium", loại bỏ các vấn đề như vậy bằng cách thay thế chất điện phân lỏng (môi trường dựa trên lithium cho phép vận chuyển các ion giữa cực dương và cực dương của nó, cực âm, của pin) với chất điện phân rắn bao gồm lithium phốt pho oxynitrua kết hợp carbon, hoặc LiCPON. Bằng cách này, không chỉ tránh được các phản ứng phụ không mong muốn khác nhau liên quan đến lithium kim loại, mà còn tạo ra một giao diện tốt hơn giữa cực dương và chất điện phân.
Các nhà nghiên cứu đã có thể điều tra xem liệu quá trình sơ bộ hóa ăn mòn ở trạng thái rắn của họ có thực hiện như dự đoán thông qua hình ảnh quang học, kính hiển vi điện tử và nhiễu xạ tia X hay không—ba phương pháp khác nhau để xem các phản ứng điện hóa trong thời gian thực. Kỹ thuật này đã tăng cường độ cực dương lên gần 83 phần trăm so với điện cực sơ bộ sử dụng chất điện phân lỏng.
Sau khi đã chứng minh khái niệm của họ về 'pin đồng xu'—pin quy mô nhỏ dành cho nghiên cứu và phát triển pin trong phòng thí nghiệm, giờ đây các nhà nghiên cứu muốn chứng minh quy trình này với pin cấp công nghiệp.
