Tiến bộ trong thiết kế vật liệu composite catốt cho pin toàn rắn gốc sunfua
của Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
Minh họa sơ đồ cấu trúc điện cực (trộn cơ học tối ưu so với trộn thủ công đơn giản) và so sánh hiệu suất của pin. Nguồn: Viện nghiên cứu công nghệ điện tử Hàn Quốc
Các nhà nghiên cứu tại Hàn Quốc đã đoàn kết để giải quyết những thách thức trong quá trình thương mại hóa pin toàn rắn. Công trình này được công bố trên tạp chí Energy Storage Materials.
Tiến sĩ Yoon-Cheol Ha từ Trung tâm nghiên cứu pin thế hệ tiếp theo của KERI đã hợp tác với một nhóm do giáo sư Byung Gon Kim thuộc Khoa hóa học ứng dụng, Đại học Kyung Hee, một nhóm do giáo sư Janghyuk Moon thuộc Khoa kỹ thuật hệ thống năng lượng, Đại học Chung-Ang và những người khác đứng đầu để phát triển công nghệ trộn tối ưu vật liệu catốt cho pin toàn rắn với chất điện phân rắn sunfua.
Pin toàn rắn đang thu hút sự chú ý như một công nghệ pin thế hệ tiếp theo do nguy cơ cháy nổ cực kỳ thấp. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi công nghệ tiên tiến hơn đáng kể so với pin thông thường dựa trên chất điện phân lỏng, do đặc tính rắn của pin hoàn toàn rắn, khiến việc sản xuất trở nên khó khăn hơn.
Đặc biệt, việc trộn và phân tán hiệu quả các vật liệu hoạt tính catốt với chất điện phân rắn, phụ gia dẫn điện và chất kết dính được biết đến là một trong những thách thức trong quá trình sản xuất điện cực composite.
Phải đáp ứng các điều kiện nghiêm ngặt, chẳng hạn như tạo ra các kênh (đường dẫn) tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền electron và ion lithium hiệu quả và đảm bảo điện trở giao diện thấp trên các giao diện catốt-chất điện phân.
Pin hoàn toàn rắn của KERI có hiệu suất được cải thiện do thiết kế tối ưu của vật liệu composite catốt. Nguồn: Viện nghiên cứu công nghệ điện tử Hàn Quốc
Cho đến nay, có hai phương pháp chính được sử dụng để trộn vật liệu catốt và chất điện phân rắn: chỉ cần trộn chúng theo phương pháp cơ học trong điều kiện ướt hoặc khô để tạo ra độ dày từ hàng chục đến hàng trăm micromet (một phần triệu mét) hoặc sử dụng phương pháp cấu trúc lõi-vỏ, trong đó bề mặt của vật liệu catốt được bọc bằng chất điện phân rắn.
Tuy nhiên, các phương pháp hiện có này đã gặp phải những thách thức trong việc đảm bảo chuyển động của các electron hoặc ion và trong việc hình thành giao diện có điện trở thấp.
Để giải quyết vấn đề này, KERI và các nhóm nghiên cứu của trường đại học đã sử dụng phương pháp phủ một phần vật liệu hoạt động catốt bằng chất điện phân rắn.
Vì chất điện phân rắn sunfua nhạy cảm với oxy và độ ẩm và có thể bị hỏng nếu sử dụng sai mục đích, nhóm nghiên cứu đã phát triển một máy nghiền lưỡi dao - một thiết bị đặc biệt có thể sử dụng khí trơ không gây ra phản ứng hóa học. Điều này cho phép họ nghiên cứu nhiều loại cấu trúc phủ chất điện phân rắn khác nhau và thử nghiệm cũng như xác minh tỷ lệ hỗn hợp tối ưu và các điều kiện xử lý với vật liệu hoạt động catốt.
Các nhà nghiên cứu của KERI, bao gồm Tiến sĩ Yoon-Cheol Ha (ngoài cùng bên trái), tạo dáng trước thiết bị 'máy nghiền lưỡi dao' được sử dụng để thiết kế tối ưu vật liệu composite catốt cho tất cả các loại pin thể rắn. Nguồn: Viện nghiên cứu công nghệ điện tử Hàn Quốc
Nhóm đã tiến hành nhiều mô phỏng khác nhau để thu thập dữ liệu mở rộng chứng minh sự cải thiện về khả năng sử dụng vật liệu hoạt động (công suất thực tế so với công suất lý thuyết) và khả năng tốc độ (sạc/xả nhanh so với sạc/xả dòng điện thấp). Sau đó, họ áp dụng kết quả này vào một nguyên mẫu (túi pin) để xác minh hiệu suất của pin hoàn toàn rắn.
Tiến sĩ Yoon-Cheol Ha cho biết, "Để pin hoàn toàn rắn được áp dụng rộng rãi, điều quan trọng là phải nâng cao hiệu suất và giảm chi phí của chất điện phân rắn. Tuy nhiên, thiết kế cấu trúc và công nghệ quy trình sản xuất tạo ra điện cực tổng hợp hiệu quả để tạo điều kiện cho dòng ion và electron chảy trơn tru cũng rất quan trọng".
Ông nói thêm, "Bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp trong đó vật liệu hoạt động catốt được phủ một phần chất điện phân rắn theo tỷ lệ tối ưu, chúng tôi có thể nâng cao chức năng của điện cực và cải thiện đáng kể hiệu suất của pin hoàn toàn rắn".
KERI, đơn vị đã được cấp bằng sáng chế liên quan đến công nghệ này, có kế hoạch tìm kiếm khách hàng tiềm năng và theo đuổi thương mại hóa, tin rằng thành tựu này sẽ thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà sản xuất vật liệu và thiết bị cho pin hoàn toàn rắn.
