Xem lithium trong thời gian thực có thể cải thiện hiệu suất của vật liệu pin EV
của Đại học Cambridge
Trừu tượng đồ họa. Ảnh: Joule (2022). DOI: 10.1016 / j.joule.2022.09.008
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sự chuyển động không đều của các ion lithium trong vật liệu pin thế hệ tiếp theo có thể làm giảm dung lượng và cản trở hiệu suất của chúng.
Nhóm nghiên cứu do Đại học Cambridge dẫn đầu đã theo dõi chuyển động của các ion lithium bên trong vật liệu pin mới đầy hứa hẹn trong thời gian thực.
Người ta đã giả định rằng cơ chế mà các ion lithium được lưu trữ trong vật liệu pin là đồng nhất giữa các hạt hoạt động riêng lẻ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu do Cambridge dẫn đầu đã phát hiện ra rằng trong chu kỳ sạc-xả, bộ lưu trữ lithium là bất kỳ thứ gì ngoại trừ đồng nhất.
Khi pin gần kết thúc chu kỳ phóng điện, bề mặt của các phần tử hoạt động trở nên bão hòa bởi lithium trong khi lõi của chúng thiếu lithium. Điều này dẫn đến mất lithium có thể tái sử dụng và giảm dung lượng.
Nghiên cứu có thể giúp cải thiện vật liệu pin hiện có và có thể đẩy nhanh sự phát triển của pin thế hệ tiếp theo. Kết quả được công bố trên tạp chí Joule.
Xe điện (EV) rất quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế không carbon. Hầu hết các phương tiện giao thông điện trên đường hiện nay đều chạy bằng pin lithium-ion, một phần do mật độ năng lượng cao của chúng.
Tuy nhiên, khi việc sử dụng xe điện ngày càng phổ biến, việc thúc đẩy phạm vi sử dụng dài hơn và thời gian sạc nhanh hơn có nghĩa là vật liệu pin hiện tại cần được cải thiện và vật liệu mới cần được xác định.
Một số vật liệu hứa hẹn nhất trong số những vật liệu này là vật liệu điện cực dương hiện đại được gọi là oxit liti giàu niken nhiều lớp, được sử dụng rộng rãi trong xe điện cao cấp. Tuy nhiên, các cơ chế hoạt động của chúng, đặc biệt là vận chuyển lithium-ion trong các điều kiện vận hành thực tế và cách điều này liên quan đến hiệu suất điện hóa của chúng, vẫn chưa được hiểu đầy đủ, vì vậy chúng ta chưa thể thu được hiệu suất tối đa từ các vật liệu này.
Bằng cách theo dõi cách ánh sáng tương tác với các hạt hoạt động trong quá trình hoạt động của pin dưới kính hiển vi, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự khác biệt rõ rệt trong việc lưu trữ lithium trong chu trình sạc-xả trong oxit coban giàu niken (NMC).
Đồng tác giả thứ nhất Alice Merryweather từ Khoa Hóa học Yusuf Hamied của Cambridge cho biết: “Đây là lần đầu tiên sự không đồng nhất trong quá trình lưu trữ lithium được quan sát trực tiếp trong các hạt riêng lẻ. "Kỹ thuật thời gian thực như của chúng tôi là điều cần thiết để nắm bắt điều này trong khi pin đang hoạt động."
Kết hợp các quan sát thực nghiệm với mô hình máy tính, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự không đồng nhất bắt nguồn từ những thay đổi mạnh mẽ đối với tốc độ khuếch tán lithium-ion trong NMC trong chu kỳ phóng điện. Cụ thể, các ion liti khuếch tán chậm trong các hạt NMC đã được phủ thạch hóa hoàn toàn, nhưng sự khuếch tán được tăng cường đáng kể khi một số ion liti được chiết xuất từ các hạt này.
“Mô hình của chúng tôi cung cấp thông tin chi tiết về phạm vi khuếch tán ion lithium-ion trong NMC thay đổi trong giai đoạn đầu của quá trình sạc,” đồng tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Shrinidhi Pandurangi từ Khoa Kỹ thuật của Cambridge cho biết. "Mô hình của chúng tôi đã dự đoán sự phân bố lithium một cách chính xác và ghi lại mức độ không đồng nhất được quan sát thấy trong các thí nghiệm. Những dự đoán này là chìa khóa để hiểu các cơ chế suy giảm pin khác như đứt gãy hạt."
Quan trọng là, sự không đồng nhất của liti được thấy ở cuối quá trình phóng điện tạo ra một lý do tại sao các vật liệu catốt giàu niken thường mất khoảng 10% công suất sau chu kỳ phóng điện đầu tiên.
“Điều này rất quan trọng, xem xét một tiêu chuẩn công nghiệp được sử dụng để xác định xem pin có nên ngừng hoạt động hay không là khi nó đã mất 20% dung lượng”, đồng tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Chao Xu, từ Đại học Công nghệ Thượng Hải, người đã hoàn thành. nghiên cứu khi có trụ sở tại Cambridge.
