Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức
Các nghiên cứu ở kích cỡ nano mở đường cho pin Lithium-ion “thế hệ tiếp theo”
Pin lithium-ion có thể sạc lại phổ biến ở khắp nơi, cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay và ngày càng có nhiều xe điện. Do đó, việc làm cho những viên pin này nhẹ hơn, nhỏ hơn, rẻ hơn và có thể sạc nhanh hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất là một thách thức lớn trong thiết kế. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học và kỹ sư đang phát triển các vật liệu điện cực mới có thể lưu trữ lượng lớn lithium hơn trong cùng một khoảng không gian.
Một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng vật liệu hợp kim trong âm cực của pin, còn được gọi là anode. Ví dụ: một pound silicon – tạo ra anode “hợp kim” – có thể lưu trữ lượng lithium tương đương với 10 pound graphit, được tìm thấy trong các anode “loại xen kẽ” hiện được sử dụng trong pin lithium-ion thương mại. Điều này có nghĩa là thay thế cái sau bằng cái trước có thể làm cho anode nhẹ hơn 10 lần và nhỏ hơn đáng kể.
Bất chấp triển vọng này, anode hợp kim vẫn chưa được sử dụng rộng rãi. Điều này một phần là do các ion lithium xâm nhập được vào các hạt silicon hợp kim bên trong anode, các hạt này bắt đầu nở ra và vỡ ra, dẫn đến pin hỏng chỉ sau một vài chu kỳ sạc. Việc giảm kích thước của các hạt này để các tính năng của chúng ở kích thước nano – chẳng hạn như silicon dạng lỗ rỗng cỡ nanoporous – làm giảm bớt loại suy thoái này, nhưng các cơ chế thực tế đang diễn ra vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Mới đây, trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters, các nhà nghiên cứu của Penn Engineering đã tiết lộ quá trình điện hóa phức tạp xảy ra ở kích thước nano khi các anode hợp kim tích điện và phóng điện. Hiểu rõ hơn về hành vi suy thoái hiện đang cản trở loại vật liệu lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn này có thể mở ra cánh cửa cho các thiết kế pin mới, hiệu quả hơn.
Nghiên cứu được thực hiện bởi Eric Detsi, Phó Giáo sư Nhiệm kỳ Stephenson tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (MSE), cùng với các trợ lý nghiên cứu sau Đại học John Corsi và Samuel Welborn. Họ đã hợp tác với Eric Stach, Giáo sư của MSE và là giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Cấu trúc của Vật chất (LRSM).
Như tên gọi của chúng cho thấy, pin lithium-ion lưu trữ năng lượng thông qua phản ứng điện hóa giữa lithium từ dương cực, còn được gọi là cathode, và vật liệu trong anode của chúng. Khi các ion lithium xâm nhập vật lý vào các khoảng trống trong mạng tinh thể của anode trong quá trình sạc, chúng liên kết với vật liệu đó và hấp thụ các điện tử trong quá trình này; Việc xả pin sẽ loại bỏ lithium để quá trình này có thể được lặp lại, nhưng trong trường hợp anode hợp kim, cũng làm cho vật liệu anode lớn lên và cuối cùng bị vỡ ra.
Có nhiều bước trung gian trong các quy trình này; hiểu được chúng khác nhau như thế nào giữa silicon dạng đặc và silicon dạng rỗng cỡ nanoporous có thể đưa ra một số gợi ý về lý do tại sao loại silicon sau này chống lại sự suy thoái tốt hơn. Tuy nhiên, việc khảo sát chặt chẽ các quá trình này đang hoạt động đã bị cản trở bởi những thách thức trong việc quan sát các cấu trúc silicon ở kích thước nhỏ như vậy.
“Để giải quyết thách thức này,” Detsi nói, “chúng tôi đã sử dụng sự kết hợp độc đáo giữa kính hiển vi điện tử truyền qua và kỹ thuật tán xạ tia X để nghiên cứu sự xuống cấp của anode pin lithium-ion trong quá trình sạc và xả.”
“Chúng tôi đã sử dụng vàng thay vì silicon vì vàng tạo ra độ tương phản tốt hơn trong quá trình chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử so với silicon,“Welborn bổ sung. “ Nó cho phép phát hiện rõ ràng lớp phủ bề mặt liên pha chất điện li rắn, được gọi là SEI, hình thành trên điện cực vàng trong quá trình sạc và phóng điện. Vàng cũng tán xạ nhiều tia X hơn silicon, giúp dễ dàng thăm dò những thay đổi đối với cấu trúc anode trong quá trình đó ”.
Đối với nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị kính hiển vi điện tử tại Trung tâm Công nghệ Nano Singh, cũng như thiết bị Tán xạ tia X nguồn bức xạ kép và Môi trường (DEXS) trong LRSM, Penn. Kết quả từ hai kỹ thuật này đã tạo thành một tập dữ liệu phong phú cho phép các nhà nghiên cứu cập nhật mô hình đã hiểu trước đó về cách thức xảy ra quá trình suy thoái này.
Những công cụ này cho phép nhóm nghiên cứu xác định bước quan trọng trong quá trình xả: sự hình thành một lớp SEI dày trên bề mặt vàng dạng lỗ rỗng.
Corsi cho biết: “Khi lithium được lưu trữ trong vàng, thể tích của các dây chằng vàng kim loại trong cấu trúc nanoporous nhanh chóng mở rộng, cuối cùng sẽ bị đứt. “Những mảnh dây chằng bị đứt gãy này bị mắc kẹt trong lớp SEI xung quanh. Khi quá trình bị đảo ngược, các dây chằng co lại khi Litthium bị loại bỏ và sự thay đổi thể tích này khiến lớp SEI chứa vật liệu bị mắc kẹt bị nứt và tách khỏi phần còn lại của điện cực ”.
Khi pin được sạc lại, một lớp SEI mới sẽ phát triển trên bề mặt, thu thập nhiều mảnh điện cực bị đứt gãy hơn. Thiệt hại này tích tụ trong các chu kỳ sạc lặp lại, với các mảnh lớn của điện cực cuối cùng bị tách ra và khiến pin nhanh chóng bị hỏng.
Các nhà nghiên cứu tin rằng những hiểu biết sâu sắc thu được về vàng dạng lỗ rỗng cỡ nanoporous có ý nghĩa rộng rãi đối với các vật liệu anode hợp kim được nghiên cứu nhiều và hứa hẹn như silicon và thiếc. Hiểu được cơ chế về cách các anode này suy giảm theo thời gian sẽ cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế các vật liệu pin mật độ năng lượng cao, bền lâu hơn.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) (DMR-1720530) và Viện Khoa học và Công nghệ Năng lượng Vagelos (VIEST) thông qua học bổng sau đại học VIEST 2018.
Nguyễn Tiến Dũng dịch
Nguồn: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-nanoscale-studies-pave-way-for-next-generation-li-ion-batteries/
Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được sử dụng cho ứng dụng trên tại đây!
Công trình trên tạp chí:
