Thiết kế điện cực quanh co thấp tạo điều kiện phát triển pin LMO hiệu suất cao

Thiết kế điện cực quanh co thấp tạo điều kiện phát triển pin LMO hiệu suất cao

    Thiết kế điện cực quanh co thấp tạo điều kiện phát triển pin LMO hiệu suất cao
    bởi Công ty TNHH Báo chí Học viện Công nghệ Bắc Kinh

    Low tortuosity electrode design facilitates the development of high-performance LMO batteries
    Các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong chế tạo các điện cực LMO có độ quanh co thấp và các cơ chế. Ảnh: Renjie He, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong


    Một nghiên cứu mới, được xuất bản vào ngày 21 tháng 12 trên tạp chí Energy Material Advances, cung cấp một chiến lược để tăng cường độ ổn định của pha động và ngăn chặn sự hòa tan Mn ở quy mô siêu nhỏ, thúc đẩy sự phát triển của các điện cực Spinel LiMn2O4 (LMO) hiệu suất cao.

    Tác giả bài báo Jia Xie, giáo sư tại trường Kỹ thuật Điện và Điện tử, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong (HUST) cho biết: “Sự phát triển của xe điện và xe đạp điện đã làm dấy lên mối quan tâm đến pin lithium-ion. "Điều quan trọng là phát triển các vật liệu điện cực tiên tiến với hiệu suất tốc độ tuyệt vời, độ ổn định theo chu kỳ và mật độ năng lượng cao."

    Xie giải thích rằng LMO được coi là vật liệu catốt đầy hứa hẹn trong pin lithium-ion năng lượng, nhờ vào chi phí thấp, độ bảo mật đáng tin cậy, điện áp hoạt động cao và các kênh vận chuyển lithium-ion 3D nhanh.

    Nhưng tính ổn định theo chu kỳ của LMO hạn chế ứng dụng quy mô lớn của nó. Theo Xie, những thách thức là quá trình chuyển pha không thể đảo ngược và sự hòa tan Mn. Quá trình chuyển pha không thể đảo ngược từ LiMn2O4 có cấu trúc spinel sang λ-MnO2, LiMn3O4 có cấu trúc spinel bị khiếm khuyết hoặc thậm chí là MnO có cấu trúc muối đá xảy ra trong quá trình lặp đi lặp lại chu kỳ.

    Sự tích lũy liên tục của các chuyển pha không thể đảo ngược dẫn đến sự hình thành vết nứt trong các hạt LMO. Bề mặt mới tiếp xúc được tạo ra bởi các vết nứt của các hạt LMO có thể tương tác với chất điện phân và do đó thúc đẩy quá trình hòa tan Mn từ LMO, dẫn đến bề mặt LMO được dán quá mức, từ đó đẩy nhanh quá trình chuyển pha không thể đảo ngược và các vết nứt hạt. Tất cả những điều này góp phần làm suy giảm các hạt LMO và giảm hiệu suất nhanh chóng, đặc biệt là trong điều kiện sạc nhanh.

    Theo Xie, các chiến lược tiên tiến bao gồm pha tạp nguyên tố, sửa đổi bề mặt và điều chỉnh hình thái đã được đề xuất để giảm bớt sự xuống cấp của các hạt LMO. Ví dụ: các nguyên tố kim loại (Mg, Ni) và phi kim loại (B, P) được sử dụng làm nguyên tố pha tạp để thay thế một lượng nhỏ Mn, tạo thành liên kết hóa học ổn định giữa các nguyên tố pha tạp và O. Liên kết hóa học bền vững giữ cho LMO ở trạng thái ổn định cấu trúc, dẫn đến hiệu suất điện hóa tốt hơn so với LMO nguyên sơ.

    Al2O3, TiO2, ZrO2 và Li3PO4 và các hợp chất khác được sử dụng làm lớp phủ để phủ lên bề mặt LMO. Lớp phủ tương đương với CEI nhân tạo, làm giảm sự tiếp xúc trực tiếp giữa LMO và chất điện phân, do đó ngăn chặn sự hòa tan Mn và thay đổi thể tích. Ngoài ra, điều chỉnh hình thái của LMO, chẳng hạn như vật liệu cấu trúc nano và thiết kế cấu trúc tinh thể bát diện cắt ngắn, cũng là một phương tiện hiệu quả để cải thiện hiệu suất. Các chiến lược này tập trung chủ yếu vào việc sửa đổi chính vật liệu LMO.

    Xie cho biết: “Bài báo này giảm thiểu sự xuống cấp của LMO từ góc độ thiết kế cấu trúc điện cực, và do đó cải thiện tính ổn định theo chu kỳ của LMO”. "Phương pháp tạo khuôn băng đã được áp dụng để xây dựng điện cực LMO có độ ngoằn ngoèo thấp dựa trên chất kết dính CMC. Các điện cực [kết quả] có các kênh thẳng xuyên qua điện cực trong mặt cắt ngang."

    "Cấu trúc có độ xoắn thấp cho phép khuếch tán lithium-ion nhanh và phân cực nồng độ nhỏ của điện cực LMO, dẫn đến phản ứng điện hóa đồng nhất trong các vùng vi mô của điện cực. Hơn nữa, động học vận chuyển lithium-ion nhanh và thậm chí cả các phản ứng ở quy mô siêu nhỏ của điện cực thấp Xie cho biết: "Điện cực LMO -tortuosity làm giảm hiệu quả quá trình chuyển pha không thể đảo ngược và sự hòa tan Mn cũng như ngăn chặn sự phát sinh vết nứt trong các hạt LMO".

    Xie cho biết: “Hành vi động học vận chuyển ion nhanh và cấu trúc pha ổn định giúp điện cực LMO có độ ngoằn ngoèo thấp đạt hiệu suất tốc độ tuyệt vời và độ ổn định theo chu kỳ, khiến nó trở thành cực âm cạnh tranh hơn”. "Thiết kế cấu trúc điện cực độ quanh co thấp cung cấp một phương pháp mới để phát triển pin LMO hiệu suất cao."

    Zalo
    Hotline