Tia X tiết lộ hóa học khó nắm bắt cho pin xe điện tốt hơn
Từ trái sang phải: Các nhà hóa học Sha Tan và Enyuan Hu của Brookhaven với nhà khoa học về chùm tia Sanjit Ghose tại chùm tia X nhiễu xạ bột tia X (XPD) NSLS-II. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng XPD để phát hiện ra các cơ chế hóa học khó nắm bắt và phức tạp của pha xen kẽ trong pin kim loại lithium. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang thực hiện sứ mệnh giải tỏa nút cổ chai trong cuộc cách mạng năng lượng sạch: pin. Từ xe điện đến lưu trữ năng lượng tái tạo ở quy mô lưới điện, pin là trung tâm của những đổi mới xanh quan trọng nhất của xã hội—nhưng pin cần phải chứa nhiều năng lượng hơn để làm cho những công nghệ này trở nên phổ biến và thiết thực.
Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học do các nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) dẫn đầu đã làm sáng tỏ các cơ chế hóa học phức tạp của một thành phần pin rất quan trọng để tăng mật độ năng lượng: kỳ trung gian. Công trình của họ được xuất bản ngày hôm nay trên Nature Nanotechnology.
Tập đoàn Battery500 của DOE tập trung vào cực dương kim loại lithium
Nhiều thiết bị điện tử, bao gồm cả điện thoại thông minh và thậm chí xe điện, hiện đang sử dụng pin lithium-ion thông thường. Mặc dù pin lithium-ion đã trở nên phổ biến nhờ hiệu suất cao và tuổi thọ dài, nhưng loại pin này phải đối mặt với những thách thức trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho xe điện trên quãng đường dài.
Để chế tạo một loại pin tốt hơn cho xe điện, các nhà nghiên cứu ở một số phòng thí nghiệm quốc gia và các trường đại học do DOE tài trợ đã thành lập một tập đoàn có tên là Battery500. Được dẫn dắt bởi PNNL, tập đoàn hướng tới mục tiêu tạo ra các tế bào pin có mật độ năng lượng 500 watt-giờ trên mỗi kilôgam—nhiều hơn gấp đôi mật độ năng lượng của các loại pin tiên tiến nhất hiện nay. Để làm như vậy, nhóm đang tập trung vào pin kim loại lithium. Trong khi pin lithium-ion dựa vào cực dương than chì, những loại pin này sử dụng cực dương kim loại lithium.
Cực dương kim loại liti cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với cực dương than chì, nhưng có sự đánh đổi. Một trong những thách thức lớn nhất mà các nhà khoa học hiện đang phải đối mặt là tìm cách ổn định cực dương khi pin sạc và xả.
Để tìm kiếm một phương pháp như vậy, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Brookhaven và PNNL đã tiến hành một nghiên cứu chuyên sâu về chất điện phân rắn xen kẽ của pin kim loại lithium. Kỳ trung gian là một lớp hóa học được hình thành giữa cực dương và chất điện phân khi pin sạc và xả. Các nhà khoa học đã biết rằng xen kẽ là chìa khóa để ổn định pin kim loại lithium, nhưng nó là một mẫu rất nhạy cảm với hóa học phức tạp nên khó nghiên cứu và do đó khó hiểu đầy đủ.
Enyuan Hu, nhà hóa học Brookhaven, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: "Kỳ trung gian ảnh hưởng đến khả năng quay vòng của toàn bộ pin. Đó là một hệ thống rất quan trọng nhưng khó nắm bắt". "Nhiều kỹ thuật có thể làm hỏng mẫu nhỏ, nhạy cảm này, mẫu cũng có cả pha tinh thể và vô định hình."
Cộng đồng khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu sử dụng nhiều kỹ thuật thí nghiệm khác nhau, bao gồm cả kính hiển vi điện tử lạnh, để hiểu rõ hơn về kỳ trung gian—nhưng bức tranh vẫn chưa rõ ràng và đầy đủ.
"Hiểu biết toàn diện về kỳ trung gian cung cấp nền tảng để xây dựng một kỳ trung gian hiệu quả", nhà khoa học PNNL Xia Cao, người đồng chủ trì nghiên cứu và dẫn đầu quá trình phát triển chất điện phân, cho biết. "Battery500 Consortium đặc biệt khuyến khích sự hợp tác. Chúng tôi đã hợp tác chặt chẽ với Phòng thí nghiệm Brookhaven trong nhiều dự án khoa học, đặc biệt là tìm hiểu về giai đoạn xen kẽ."
Để tìm hiểu sâu hơn về tính chất hóa học phức tạp và khó nắm bắt của kỳ trung gian, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một công cụ độc nhất vô nhị có tên là National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).
NSLS-II chiếu sáng hóa học xen kẽ
NSLS-II là Cơ sở Người dùng Khoa học của Văn phòng DOE tại Phòng thí nghiệm Brookhaven tạo ra tia X siêu sáng để nghiên cứu cấu tạo vật liệu ở quy mô nguyên tử. Hu và các đồng nghiệp đã tận dụng các khả năng tiên tiến của chùm tia nhiễu xạ bột tia X (XPD) tại NSLS-II để tạo ra những khám phá mới về hóa học pin trong nhiều năm. Dựa trên những thành công trước đây của họ, nhóm đã quay trở lại XPD để thu thập những phát hiện chính xác nhất của họ về kỳ trung gian.
Hu cho biết: “Trước đây, chúng tôi đã phát hiện ra rằng tia X synchrotron năng lượng cao không làm hỏng mẫu xen kẽ. "Điều này rất quan trọng vì một trong những thách thức lớn nhất trong việc mô tả đặc tính của pha xen kẽ là các mẫu rất nhạy cảm với các loại bức xạ khác, bao gồm cả tia X năng lượng thấp. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tận dụng hai kỹ thuật sử dụng năng lượng cao tia X, nhiễu xạ tia X và phân tích chức năng phân bố cặp, để nắm bắt các chất hóa học của cả pha tinh thể và pha vô định hình trong xen kẽ cực dương kim loại liti."
Sau khi quay vòng 50 lần một pin kim loại lithium và thu thập đủ mẫu xen kẽ, nhóm nghiên cứu đã tháo rời tế bào, loại bỏ một lượng bột xen kẽ từ bề mặt của kim loại liti và hướng các tia X năng lượng cao của XPD vào mẫu để phát hiện hóa chất phức tạp của nó.
Sanjit Ghose, nhà khoa học hàng đầu về Beamline tại XPD và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “XPD là một trong số ít các Beamline trên thế giới có khả năng thực hiện nghiên cứu này. "Đường chùm mang lại ba lợi thế cho công việc này: tiết diện hấp thụ nhỏ, ít làm hỏng mẫu hơn; kỹ thuật kết hợp, nhiễu xạ tia X để lấy thông tin pha và chức năng phân phối cặp cho thông tin không gian thực; và chùm tia cường độ cao cho cung cấp dữ liệu chất lượng từ một mẫu dấu vết."
Sự kết hợp độc đáo giữa các kỹ thuật tia X tiên tiến này đã cung cấp cho nhóm một bản đồ hóa học chi tiết về các thành phần xen kẽ—nguồn gốc, chức năng, tương tác và diễn biến của chúng.
"Chúng tôi tập trung vào ba thành phần khác nhau của giai đoạn xen kẽ," tiến sĩ tiến sĩ Brookhaven Sha Tan, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. "Đầu tiên là lithium hydride và cơ chế hình thành của nó. Trước đây chúng tôi đã phát hiện ra rằng lithium hydride tồn tại trong giai đoạn xen kẽ và lần này chúng tôi đã xác định được nguồn hydro."
Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng liti hydroxit, có thể được tìm thấy tự nhiên trong cực dương kim loại liti, có khả năng là tác nhân tạo ra liti hydrua. Việc kiểm soát thành phần của hợp chất này sẽ giúp các nhà khoa học thiết kế một pha xen kẽ cải tiến với hiệu suất cao nhất có thể.
“Thứ hai, chúng tôi đã nghiên cứu lithium florua, chất rất quan trọng đối với hiệu suất điện hóa và thấy rằng nó có thể được hình thành ở quy mô lớn trong chất điện phân nồng độ thấp,” Tan nói.
Trước đây, các nhà khoa học tin rằng lithium florua chỉ có thể được hình thành trong chất điện phân sử dụng chất điện phân có nồng độ cao, dựa vào muối đắt tiền. Do đó, công trình cung cấp bằng chứng cho thấy các chất điện phân nồng độ thấp, tiết kiệm chi phí hơn, có khả năng hoạt động tốt trong các hệ thống pin này.
"Thứ ba, chúng tôi đã xem xét lithium hydroxit để hiểu nó được tiêu thụ như thế nào trong quá trình đạp xe của pin. Đây đều là những phát hiện rất mới và quan trọng để hiểu được giai đoạn xen kẽ", Tan nói thêm.
Kết hợp lại, những phát hiện này giúp làm sáng tỏ các thành phần trước đây bị bỏ qua của kỳ trung gian và sẽ cho phép thiết kế trung gian chính xác hơn và có thể kiểm soát được cho pin kim loại lithium.
Trong tương lai, nhóm đang tiếp tục đóng góp các nghiên cứu bổ sung cho tập đoàn Battery500. Battery500 hiện đang trong giai đoạn thứ hai, sẽ tiếp tục đến năm 2026.
