Thiết kế cực âm mới giải quyết rào cản lớn đối với pin lithium-ion tốt hơn
bởi Joseph E. Harmon, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne
Các tinh thể đơn của vật liệu làm catốt: (A) không có ranh giới bên trong và (B) có thể nhìn thấy ranh giới bên trong. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có một lịch sử lâu dài về những khám phá đột phá với pin lithium-ion. Nhiều khám phá trong số này tập trung vào một cực âm của pin được gọi là NMC, một oxit niken-mangan-coban. Pin có cực âm này hiện cung cấp năng lượng cho Chevy Bolt.
Các nhà nghiên cứu Argonne đã tạo ra một bước đột phá khác với cực âm NMC. Cấu trúc mới của nhóm nghiên cứu cho các hạt có kích thước siêu nhỏ của cathode có thể dẫn đến pin bền hơn và an toàn hơn, có thể hoạt động ở điện áp rất cao và cung cấp năng lượng cho xe trong phạm vi lái xe dài hơn. Một bài báo về nghiên cứu này đã xuất hiện trên tạp chí Nature Energy.
Guiliang Xu, trợ lý nhà hóa học cho biết: “Cực âm NMC ngày nay đã tạo ra một rào cản lớn đối với hoạt động ở điện áp cao. Với chu kỳ phóng điện tích, hiệu suất giảm nhanh chóng do các vết nứt hình thành trong các hạt catốt. Trong vài thập kỷ, các nhà nghiên cứu về pin đã tìm cách loại bỏ những vết nứt này.
Một cách tiếp cận trước đây liên quan đến các hạt hình cầu kích thước cực nhỏ bao gồm nhiều hạt nhỏ hơn nhiều. Các hạt hình cầu lớn là đa tinh thể, với các vùng tinh thể định hướng khác nhau. Kết quả là, chúng có cái mà các nhà khoa học gọi là ranh giới hạt giữa các hạt, nguyên nhân gây ra nứt khi quay vòng pin. Để ngăn chặn điều này, các đồng nghiệp Xu và Argonne trước đây đã phát triển một lớp phủ polyme bảo vệ xung quanh mỗi hạt. Lớp phủ này bao quanh các hạt hình cầu lớn và các hạt nhỏ hơn bên trong chúng.
Một cách tiếp cận khác để tránh sự nứt vỡ này liên quan đến các hạt đơn tinh thể. Kính hiển vi điện tử của những hạt này cho thấy chúng không có ranh giới.
Vấn đề mà nhóm nghiên cứu gặp phải là các catốt được làm từ cả tinh thể đa tinh thể và đơn tinh thể được tráng phủ vẫn hình thành các vết nứt khi quay vòng. Vì vậy, họ đã đưa những vật liệu catốt này vào các cuộc phân tích sâu rộng tại Nguồn Photon Nâng cao (APS) và Trung tâm Vật liệu Kích thước Nano (CNM), các cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE tại Argonne.
Các phân tích tia X khác nhau được thực hiện ở năm chùm tia APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C và 34-ID-E). Hóa ra thứ mà các nhà khoa học tin là đơn tinh thể, được chứng minh bằng kính hiển vi điện tử và tia X, thực sự có ranh giới bên trong. Kính hiển vi điện tử quét và truyền tại CNM đã xác minh phát hiện này.
Nhà vật lý Wenjun Liu cho biết: “Khi chúng ta nhìn vào hình thái bề mặt của những hạt này, chúng trông giống như những tinh thể đơn lẻ. "Nhưng khi chúng tôi sử dụng một kỹ thuật gọi là kính hiển vi nhiễu xạ tia X synctron và các kỹ thuật khác tại APS, chúng tôi tìm thấy các ranh giới ẩn bên trong."
Điều quan trọng là nhóm đã phát triển một phương pháp sản xuất các đơn tinh thể không có ranh giới. Thử nghiệm các tế bào nhỏ với cực âm đơn tinh thể như vậy ở điện áp rất cao cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị thể tích tăng 25%, hầu như không bị giảm hiệu suất trong 100 chu kỳ thử nghiệm. Ngược lại, trong cùng một vòng đời, công suất giảm từ 60% đến 88% ở các cực âm NMC bao gồm các đơn tinh thể có nhiều ranh giới bên trong hoặc với các đa tinh thể được phủ.
Ranh giới bên trong vật liệu catốt là không mong muốn vì chúng dẫn đến suy giảm hiệu suất. Nhà cung cấp hình ảnh: Maria Chan / Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Các phép tính ở quy mô nguyên tử đã tiết lộ cơ chế đằng sau sự suy giảm công suất ở catốt. Theo nhà khoa học nano Maria Chan ở CNM, so với các khu vực cách xa chúng, ranh giới dễ bị tổn thương hơn đối với sự mất mát nguyên tử oxy khi pin đang được sạc. Sự mất oxy này dẫn đến sự suy thoái theo chu kỳ của tế bào.
"Các tính toán của chúng tôi cho thấy ranh giới dẫn đến giải phóng oxy ở điện áp cao và do đó làm giảm hiệu suất", Chan nói.
Loại bỏ các ranh giới ngăn cản sự giải phóng oxy và do đó cải thiện độ an toàn và ổn định của catốt khi đạp xe. Các phép đo giải phóng oxy tại APS và Nguồn sáng nâng cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE đã hỗ trợ phát hiện này.
Khalil Amine, một thành viên Argonne Distincished Fellow, cho biết: “Hiện chúng tôi có các hướng dẫn mà các nhà sản xuất pin có thể sử dụng để chuẩn bị vật liệu cathode không có ranh giới và hoạt động ở điện áp cao. "Và các hướng dẫn nên áp dụng cho các vật liệu catốt khác ngoài NMC."
