Pin lithium-ion (LiB) đã trở thành loại pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới. Các nhà nghiên cứu năng lượng và nhà khoa học vật liệu đã cố gắng xác định các vật liệu thay thế có thể đóng vai trò là thành phần LIB, có khả năng dẫn đến cải thiện hiệu suất và hiệu quả của pin mà không làm tăng đáng kể chi phí chế tạo.
Sơ đồ các anot M có kích thước vi mô tuần hoàn LixM (M = Si, Sn, Al và Bi) với LiF vô cơ mỏng (màu đỏ tía) và SEI hữu cơ dày (màu xanh lam). a, LiF SEI có liên kết yếu với các pha LixM, giúp nó nguyên vẹn trong các chu kỳ lithi hóa-tách lithi hóa, cho phép các anot hợp kim có kích thước vi mô tuần hoàn dài với quá trình nghiền hạt bị hạn chế và điện cực bị phồng lên ít hơn. b, SEI hữu cơ có liên kết mạnh với các pha LixM và dễ bị nứt dọc theo sự co lại của các hạt hợp kim, dẫn đến sự thâm nhập của chất điện phân, hình thành SEI tiếp theo và nghiền hạt hợp kim với sự phồng lên lớn của điện cực (tăng độ dày). c, Sự tiến triển của độ dày điện cực dọc theo chu kỳ dài của các anot hợp kim với LiF (màu đỏ tía) và SEI hữu cơ (màu xanh lam). Nguồn: Li và cộng sự. ( Nature Energy , Springer, 2024).
Cho đến nay, than chì là vật liệu anode được sử dụng nhiều nhất cho LiBs, do chi phí tương đối thấp, trọng lượng nhẹ và độ bền. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nghiên cứu đã xác định được các giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho anode gốc than chì, một trong số đó là anode hợp kim kích thước siêu nhỏ.
Anode hợp kim dựa trên hợp kim kim loại có thể phản ứng với lithium, chẳng hạn như silicon (Si), thiếc (Sn) hoặc nhôm (Al). Anode dựa trên các hợp kim này có thể có những ưu điểm đáng kể so với anode than chì, bao gồm chi phí thấp hơn và khả năng tăng dung lượng của pin.
Mặc dù có những lợi thế tiềm tàng, nhưng cho đến nay, anode hợp kim kích thước siêu nhỏ vẫn tỏ ra kém tin cậy hơn anode than chì. Một lý do cho điều này là chúng thường dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng về công suất và hiệu suất Coulomb thấp, đặc biệt là khi kết hợp với chất điện phân dựa trên cacbonat.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng pha điện phân rắn (SEI), lớp bảo vệ hình thành trên anode trong quá trình tuần hoàn pin, liên kết quá chặt với hợp kim. Điều này có thể dẫn đến các vết nứt cấu trúc trên cả SEI và hợp kim mà chất điện phân có thể xuyên qua, hình thành các lớp SEI mới trong khi pin được sạc và xả.
Sự xuống cấp nhanh chóng xảy ra ở pin có cực dương hợp kim siêu nhỏ cho đến nay đã hạn chế việc sử dụng rộng rãi và thương mại hóa chúng.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy, các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland và Đại học Rhode Island đã giới thiệu một chất điện phân không đối xứng mới có thể cải thiện hiệu suất của LiB với cực dương hợp kim kích thước siêu nhỏ.
Ai-Min Li, Zeyi Wang và các đồng nghiệp đã viết trong bài báo của họ rằng: "Sử dụng anot hợp kim kích thước nano có thể kéo dài tuổi thọ của chu kỳ pin nhưng cũng làm giảm tuổi thọ pin và làm tăng chi phí sản xuất".
"Chúng tôi đã cải thiện đáng kể hiệu suất chu kỳ của các anot Si, Al, Sn và Bi có kích thước siêu nhỏ bằng cách phát triển các chất điện phân không đối xứng (chất lỏng ion không chứa dung môi và dung môi phân tử) để tạo thành SEI vô cơ giàu LiF, cho phép các cell túi μSi||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 90 mAh và các cell túi Li3.75Si||SPAN 70 mAh (dung lượng diện tích là 4,5 mAh cm−2; N/P là 1,4) đạt được >400 chu kỳ với khả năng duy trì dung lượng cao là >85%."
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế và tổng hợp một chất điện phân mới có thể hoạt động tốt khi kết hợp với các anot hợp kim siêu nhỏ và catot năng lượng cao. Chất điện phân này dựa trên N-methyl-N (2-methoxyethoxy) methyl pyrrolidinium hexafluorophosphate, viết tắt là NMEP.
Li, Wang và các đồng nghiệp của họ đã viết: "Thiết kế chất điện phân không đối xứng tạo thành các pha trung gian giàu LiF cho phép các anot dung lượng cao và catot năng lượng cao đạt được tuổi thọ chu kỳ dài và cung cấp giải pháp chung cho pin Li-ion năng lượng cao".
Để đánh giá tiềm năng của chất điện phân, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nó trong các cell túi LiB lớn. Phát hiện của họ rất hứa hẹn, vì các cell đạt được dung lượng cao trên 140 mAh g-1 trong 200 chu kỳ, giữ lại hơn 85% dung lượng sau 400 chu kỳ hoạt động.
Thiết kế bất đối xứng mới được các nhà nghiên cứu giới thiệu giúp tăng cường khả năng tương thích giữa muối LiPF6, một thành phần chính của LiB, và dimethyl ether (DME) có điện thế khử thấp, cho phép hình thành giao diện LiF đáng tin cậy trên các anot hợp kim kích thước siêu nhỏ.
Trong tương lai, công nghệ này có thể được thử nghiệm trên nhiều loại pin hơn với thành phần cực dương và cực âm khác nhau, có khả năng góp phần vào sự phát triển của các giải pháp pin thế hệ tiếp theo.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
