Trên con đường phát triển pin thể rắn tốt hơn

Trên con đường phát triển pin thể rắn tốt hơn

    Trên con đường phát triển pin thể rắn tốt hơn
    bởi Theresa Duque, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley

    On the road to better solid-state batteries
    Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua quét cho thấy sự phân bố nguyên tố trong chất điện phân rắn “rối loạn”: Hàng trên cùng: titan (Ti), zirconi (Zr) và thiếc (Sn); hàng dưới cùng: hafni (Hf), phốt pho (P) và oxy (O). Thanh tỷ lệ: 50 nanomet. Tín dụng: Yan Zeng và Gerd Ceder/Berkeley Lab


    Một nhóm từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Đại học Bang Florida đã thiết kế một kế hoạch chi tiết mới cho pin thể rắn ít phụ thuộc vào các nguyên tố hóa học cụ thể, đặc biệt là các kim loại quan trọng đang gặp thách thức về nguồn do các vấn đề về chuỗi cung ứng. Công trình của họ, được báo cáo gần đây trên tạp chí Khoa học, có thể cải tiến pin thể rắn hiệu quả và giá cả phải chăng.

    Được quảng cáo là có mật độ năng lượng cao và độ an toàn vượt trội, pin thể rắn có thể là nhân tố thay đổi cuộc chơi cho ngành ô tô điện. Nhưng việc phát triển một loại có giá cả phải chăng và cũng đủ dẫn điện để cung cấp năng lượng cho ô tô đi hàng trăm dặm trong một lần sạc từ lâu đã là một trở ngại khó vượt qua.

    "Với cách tiếp cận mới của chúng tôi đối với pin thể rắn, bạn không cần phải từ bỏ khả năng chi trả cho hiệu suất. Công trình của chúng tôi là công trình đầu tiên giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một chất điện phân thể rắn không chỉ với một kim loại mà với một nhóm các kim loại giá cả phải chăng, " Yan Zeng, đồng tác giả đầu tiên, một nhà khoa học nhân viên tại Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết.

    Trong pin lithium-ion, chất điện phân hoạt động giống như một trung tâm chuyển đổi, nơi các ion lithium di chuyển với điện tích để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoặc sạc lại pin.

    Giống như các loại pin khác, pin thể rắn lưu trữ năng lượng và sau đó giải phóng nó để cung cấp năng lượng cho các thiết bị. Tuy nhiên, thay vì sử dụng chất điện phân lỏng hoặc gel polymer có trong pin lithium-ion, chúng sử dụng chất điện phân rắn.

    Chính phủ, nghiên cứu và học viện đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu và phát triển pin thể rắn vì chất điện phân lỏng được thiết kế cho nhiều loại pin thương mại dễ bị quá nhiệt, cháy và mất điện.

    Tuy nhiên, nhiều loại pin thể rắn được chế tạo cho đến nay dựa trên các loại kim loại cụ thể đắt tiền và không có sẵn với số lượng lớn. Một số hoàn toàn không được tìm thấy ở Hoa Kỳ.

    Đối với nghiên cứu hiện tại, Zeng, cùng với Bin Ouyang, trợ lý giáo sư hóa học và hóa sinh tại Đại học Bang Florida, và tác giả chính Gerbrand Ceder, nhà khoa học cấp cao của Phòng thí nghiệm Berkeley và giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của UC Berkeley, đã trình diễn một loại mới. chất điện phân rắn bao gồm hỗn hợp các nguyên tố kim loại khác nhau. Zeng và Ouyang lần đầu tiên phát triển ý tưởng cho công việc này khi đang hoàn thành nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley dưới sự giám sát của Ceder.

    Các vật liệu mới có thể tạo ra một chất điện phân rắn dẫn điện tốt hơn, ít phụ thuộc vào một lượng lớn nguyên tố riêng lẻ.


    Hình bên trái: Chất điện phân rắn "đặt hàng" thông thường chỉ làm bằng một loại kim loại (quả cầu màu xanh lam). Chuyển động của các ion lithium (quả cầu màu vàng) chậm và bị hạn chế, do đó cản trở tính dẫn điện của ion và hiệu suất của pin. (Các quả cầu màu xám đại diện cho oxy.) Hiển thị bên phải: Các ion di chuyển nhanh hơn đáng kể thông qua chất điện phân rắn "rối loạn": Trộn các loại kim loại khác nhau (quả cầu màu xanh lam, xanh lục và xanh lam) tạo ra các con đường mới—giống như việc bổ sung đường cao tốc trên đường cao tốc tắc nghẽn— qua đó các ion lithium có thể di chuyển nhanh chóng qua chất điện phân. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Jenny Nuss/Berkeley
    Trong các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley, các nhà nghiên cứu đã chứng minh chất điện phân rắn mới bằng cách tổng hợp và thử nghiệm một số vật liệu lithium-ion và natri-ion với nhiều kim loại hỗn hợp.

    Họ quan sát thấy rằng các vật liệu đa kim loại mới hoạt động tốt hơn mong đợi, thể hiện độ dẫn ion nhanh hơn vài bậc so với các vật liệu đơn kim loại. Độ dẫn ion là phép đo tốc độ di chuyển của các ion lithium để dẫn điện.

    Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc trộn nhiều loại kim loại khác nhau lại với nhau sẽ tạo ra những con đường mới - giống như việc bổ sung đường cao tốc trên đường cao tốc tắc nghẽn - qua đó các ion lithium có thể di chuyển nhanh chóng qua chất điện phân. Zeng giải thích nếu không có những con đường này, chuyển động của các ion lithium sẽ chậm và bị hạn chế khi chúng di chuyển qua chất điện phân từ đầu này sang đầu kia của pin.

    Để xác thực các ứng cử viên cho thiết kế đa kim loại, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các tính toán lý thuyết nâng cao dựa trên một phương pháp gọi là lý thuyết hàm mật độ trên các siêu máy tính tại Trung tâm Điện toán Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC).

    Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) tại Molecular Foundry, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng mỗi chất điện phân chỉ được tạo thành từ một loại vật liệu—cái mà các nhà khoa học gọi là "một pha"—với các biến dạng bất thường làm phát sinh các đường vận chuyển ion mới trong cấu trúc tinh thể.

    Các khám phá mang đến những cơ hội mới để thiết kế dây dẫn ion thế hệ tiếp theo. Bước tiếp theo trong nghiên cứu này là áp dụng phương pháp mới mà Zeng đã phát triển cùng với Ceder tại Phòng thí nghiệm Berkeley để khám phá thêm và khám phá các vật liệu chất điện phân rắn mới có thể cải thiện hiệu suất của pin hơn nữa.

    Zalo
    Hotline