Hầu hết các chất rắn nở ra khi nhiệt độ tăng và co lại khi chúng nguội. Một số vật liệu thì ngược lại, nở ra khi lạnh. Lithium titanium phosphate là một chất như vậy và có thể cung cấp giải pháp cho vấn đề hiệu suất giảm mạnh của pin lithium-ion trong môi trường lạnh.
Nguồn: Hóa học ứng dụng Phiên bản quốc tế (2024). DOI: 10.1002/anie.202419300
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition, một nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã chứng minh tính phù hợp của nó để sử dụng làm điện cực cho pin sạc.
Pin lithium-ion và các loại pin sạc khác dựa trên ion kim loại cung cấp điện cho các thiết bị di động, xe điện và lưu trữ năng lượng mặt trời và gió. Chúng hoạt động tốt—miễn là trời ấm. Khi nhiệt độ giảm, hiệu suất của những loại pin này có thể giảm mạnh—một vấn đề đối với xe điện, hàng không vũ trụ và các ứng dụng quân sự.
Các biện pháp đối phó như bộ gia nhiệt tích hợp, chất điện phân cải tiến hoặc lớp phủ điện cực làm tăng chi phí và độ phức tạp của quá trình sản xuất pin hoặc làm giảm hiệu suất.
Một trong những nguyên nhân gây ra vấn đề lạnh là sự khuếch tán chậm của các ion lithium trong vật liệu điện cực. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Donghua và Đại học Fudan ở Thượng Hải, cũng như Đại học Nội Mông ở Hohhot đã đề xuất một cách tiếp cận mới để giải quyết vấn đề này: điện cực làm bằng vật liệu lưu trữ năng lượng điện hóa có độ giãn nở nhiệt âm (NTE), chẳng hạn như lithium titanium phosphate LiTi2(PO4)3 (LTP).
Dưới sự chỉ đạo của Liming Wu, Chunfu Lin và Renchao Che, nhóm nghiên cứu đã sử dụng LTP làm chất mô hình để chứng minh rằng vật liệu điện cực có đặc tính NTE có thể mang lại hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp.
Phân tích cấu trúc tinh thể cho thấy một mạng lưới ba chiều của các khối bát diện TiO6 và tứ diện PO4 với cấu trúc mở, linh hoạt chứa cả "khoang" và "kênh", nơi các ion lithium có thể bám vào. Khi được làm mát, cấu trúc này trải dài dọc theo một trong các trục tinh thể của nó.
Bằng cách sử dụng các phân tích quang phổ và kính hiển vi điện tử kết hợp với mô hình máy tính, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng các chế độ rung động của các nguyên tử thay đổi ở nhiệt độ thấp. Điều này làm tăng sự xuất hiện của các dao động ngang đặc biệt của một số nguyên tử oxy, tăng khoảng cách giữa chúng với nhau và mở rộng các khoang trong mạng. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ và vận chuyển các ion lithium.
Ở −10°C, tốc độ khuếch tán của chúng vẫn ở mức 84% giá trị thu được ở 25°C. Các thử nghiệm điện hóa trên LTP phủ carbon ở −10°C cũng cho thấy hiệu suất điện hóa tốt với dung lượng cao và khả năng tốc độ cao, cũng như khả năng duy trì dung lượng cao trong hơn 1.000 chu kỳ sạc/xả.
Do đó, vật liệu có độ giãn nở nhiệt âm rất có triển vọng để sử dụng làm vật liệu điện cực trong pin lithium-ion ở môi trường lạnh.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
