Vật liệu pin Lithium-ion phá vỡ rào cản khi sạc nhanh

Vật liệu pin Lithium-ion phá vỡ rào cản khi sạc nhanh

    Vật liệu pin Lithium-ion phá vỡ rào cản khi sạc nhanh

    Hình ảnh kích thước đầy đủ về cấu trúc tinh thể của MWNO. Các quả cầu màu đỏ, xanh lục, xám (trong khối bát diện có màu lục nhạt) và màu tím lần lượt tương ứng với các nguyên tử O, Nb, W và Mo trong ô đơn vị. Cấu trúc bao gồm các khối ReO3 4 × 4 được giao với các mặt phẳng cắt tinh thể. Nguồn: Vật liệu Năng lượng Tiên tiến (2022). DOI: 10.1002 / aenm.202200519

    Lithium-ion battery material breaks barrier on fast charging
    Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng và Đại học Tennessee, Knoxville, đã phát hiện ra một vật liệu quan trọng cần thiết cho pin lithium-ion sạc nhanh. Cách tiếp cận phù hợp về mặt thương mại mở ra một con đường tiềm năng để cải thiện tốc độ sạc cho xe điện.

    Pin Lithium-ion, hoặc LIB, đóng một vai trò thiết yếu trong danh mục công nghệ năng lượng sạch của quốc gia. Hầu hết các loại xe hybrid và xe điện đều sử dụng LIB. Những loại pin có thể sạc lại này mang lại lợi thế về độ tin cậy và hiệu quả vì chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn, sạc nhanh hơn và bền hơn so với pin axit-chì truyền thống. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang phát triển và cần có những tiến bộ cơ bản để đáp ứng các ưu tiên nhằm cải thiện chi phí, phạm vi sử dụng và thời gian sạc của pin xe điện.

    "Vượt qua những thách thức này sẽ đòi hỏi những tiến bộ trong vật liệu hiệu quả hơn và các phương pháp tổng hợp có thể mở rộng cho ngành công nghiệp", ORNL Corporate Fellow và tác giả tương ứng Sheng Dai cho biết.

    Kết quả được công bố trên Advanced Energy Materials chứng minh một vật liệu cực dương pin sạc nhanh mới đạt được bằng cách sử dụng một phương pháp tổng hợp có thể mở rộng. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một hợp chất mới gồm molypden-vonfram-niobate, hay MWNO, có khả năng sạc lại nhanh và hiệu suất cao, có khả năng thay thế than chì trong pin thương mại.

    Trong nhiều thập kỷ, than chì là vật liệu tốt nhất được sử dụng để chế tạo cực dương LIB. Trong thiết kế pin cơ bản, hai điện cực rắn - cực âm dương và cực dương âm - được nối với nhau bằng dung dịch điện phân và chất phân tách. Trong LIB, các ion liti di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương để lưu trữ và giải phóng năng lượng cung cấp năng lượng cho các thiết bị. Một thách thức đối với cực dương graphit là chất điện phân bị phân hủy và hình thành sự tích tụ trên bề mặt cực dương trong quá trình sạc. Sự tích tụ này làm chậm sự di chuyển của các ion lithium và có thể hạn chế độ ổn định và hiệu suất của pin.

    Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của ORNL và tác giả đầu tiên của Runming Tao cho biết: "Do sự chuyển động của lithium-ion chậm chạp này, các cực dương graphit được coi là rào cản cho việc sạc cực nhanh. Chúng tôi đang tìm kiếm các vật liệu mới, chi phí thấp có thể hoạt động tốt hơn graphite". Mục tiêu sạc cực nhanh của DOE cho xe điện được đặt ra ở mức 15 phút hoặc ít hơn để cạnh tranh với thời gian tiếp nhiên liệu trên các phương tiện chạy bằng khí đốt, một cột mốc mà graphite chưa đạt được.

    "Phương pháp tiếp cận của chúng tôi tập trung vào vật liệu nongraphit, nhưng những vật liệu này cũng có những hạn chế. Một số vật liệu hứa hẹn nhất - oxit dựa trên niobi - có phương pháp tổng hợp phức tạp không phù hợp với công nghiệp", Tao nói.

    Tổng hợp thông thường các oxit niobi như MWNO là một quá trình sử dụng nhiều năng lượng trên ngọn lửa trần và cũng tạo ra chất thải độc hại. Một giải pháp thay thế thực tế có thể thúc đẩy vật liệu MWNO trở thành ứng cử viên nặng ký cho pin tiên tiến. Các nhà nghiên cứu đã chuyển sang quy trình sol-gel được thiết lập tốt, được biết đến với sự an toàn và đơn giản. Không giống như tổng hợp nhiệt độ cao thông thường, quy trình sol-gel là một phương pháp hóa học ở nhiệt độ thấp để chuyển dung dịch lỏng thành vật liệu rắn hoặc gel và thường được sử dụng để sản xuất thủy tinh và gốm sứ.

    Nhóm nghiên cứu đã biến đổi hỗn hợp chất lỏng ion và muối kim loại thành một loại gel xốp được xử lý bằng nhiệt để tăng cường các đặc tính cuối cùng của vật liệu. Chiến lược năng lượng thấp cũng cho phép dung môi lỏng ion được sử dụng làm khuôn mẫu cho MWNO được thu hồi và tái chế.

    "Vật liệu này hoạt động ở điện áp cao hơn graphite và không dễ hình thành cái được gọi là 'lớp điện phân rắn thụ động' làm chậm chuyển động của lithium-ion trong quá trình sạc. Công suất đặc biệt và tốc độ sạc nhanh, kết hợp với khả năng mở rộng Tao nói.

    Chìa khóa thành công của vật liệu này là cấu trúc dạng nanô giúp tăng cường độ dẫn điện. Kết quả là cung cấp ít khả năng chống lại sự di chuyển của các ion và điện tử lithium hơn, cho phép sạc lại nhanh chóng.

    Dai cho biết: “Nghiên cứu đạt được một phương pháp tổng hợp có thể mở rộng cho vật liệu MWNO cạnh tranh cũng như cung cấp những hiểu biết cơ bản về thiết kế vật liệu điện cực trong tương lai cho nhiều loại thiết bị lưu trữ năng lượng”.

    Zalo
    Hotline