Ngọc Yến
Writer
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mặc dù pin kim loại lithium ở trạng thái rắn dự kiến sẽ đạt được mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh, nhưng sự mất ổn định về giao diện giữa cực âm oxit điện áp cao và chất điện phân trạng thái rắn (SSE, chất điện phân trạng thái rắn) và cực dương kim loại. Sự phát triển của sợi nhánh lithium ở bề mặt tiếp xúc với chất điện phân rắn hạn chế việc thực hiện mục tiêu này.
Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm của Wang Chunsheng tại Đại học Maryland ở Hoa Kỳ đã bắt đầu từ hai hạn chế chính này và thông qua sơ đồ thiết kế giao diện hợp lý, họ đã tạo ra một loại pin kim loại lithium thể rắn với mật độ năng lượng cao hơn và đạt được khả năng sạc nhanh thành công.
Mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh của pin hiện đang là nhu cầu chung cho các sản phẩm điện tử và xe điện nên thành tựu này có thể được ứng dụng trong điện thoại di động, xe điện, máy tính và các lĩnh vực khác.
Nghiên cứu trước đây của nhóm nghiên cứu này đã phát hiện ra rằng điện thế quá mức giữa các pha tới hạn là yếu tố chính trong việc đo lường khả năng của bề mặt phân cách chất điện phân rắn (SEI, pha rắn-điện phân) để ức chế sự phát triển của sợi nhánh lithium.
Để đạt được khả năng ức chế dendrite lithium cao tại giao diện, động lực tăng trưởng dendrite lithium phải thấp hơn khả năng ức chế dendrite lithium nội tại của giao diện điện phân rắn.
Do đó, để đạt được công suất cao và tốc độ sạc và xả cao, cần thiết kế giao diện cho giao diện chất điện phân Li/rắn để có thể đồng thời cải thiện khả năng ức chế dendrite lithium và giảm động lực phát triển lithium dendrite.
Dưới công suất cao và tốc độ cao, độ ổn định của quá trình sạc và xả pin cũng liên quan đến điện cực dương. Đối với pin lithium-ion lỏng, một số lượng lớn nghiên cứu đã chứng minh rằng nguyên tố F có thể duy trì độ ổn định của cực âm NMC811 ở mức độ lớn.
Sau đó, họ chọn lithium tetrafluoroborate làm lớp phủ trên bề mặt NMC811. Bằng cách di chuyển điện hóa một phần F từ bề mặt NMC811 sang pha khối NMC811, giao diện NMC811/Li6PS5Cl và pha khối NMC811 đạt được độ ổn định tốt hơn.
Để giảm động lực phát triển của lithium dendrite qua lớp giao diện, cần đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ tại mỗi giao diện giữa chất điện phân Li/rắn. Khi lớp giao diện được thêm thủ công sẽ xảy ra vấn đề tiếp xúc không đều. Trong quá trình phản ứng điện hóa, giao diện được tạo ra tại chỗ có thể đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ giữa mỗi giao diện.
Bằng cách sàng lọc các vật liệu kim loại khác nhau, họ phát hiện ra rằng magiê có thể phản ứng đồng thời với Li6PS5Cl và lithium, đồng thời LiMgSx và LiMg được tạo ra có thể hoạt động như chất kết dính để đạt được các giao diện Li6PS5Cl/lithium bismuth và lithium/lithium bismuth.
Ngoài ra, bằng cách tăng sự tiếp xúc giữa lithium kim loại và lớp giao diện, điện trở giao diện có thể giảm hơn nữa, do đó làm giảm thêm động lực cho sự phát triển dendrite lithium. Để đạt được mục tiêu này, có thể đạt được bằng cách thiết kế một lớp giao diện xốp.
Trong lớp giao diện xốp, để giảm hơn nữa khả năng lắng đọng lithium quá mức và cho phép lithium lắng đọng giữa lithium và lớp giao diện xốp, lớp giao diện xốp cần phải có tỷ lệ dẫn ion/electron cao. Bằng cách sàng lọc các vật liệu khác nhau, họ phát hiện ra rằng bismuth litiide thực sự có thể đáp ứng những điều kiện này.
Đồng thời, họ phát hiện ra rằng magiê sẽ di chuyển sang phía cực dương lithium trong quá trình lắng đọng lithium, do đó có thể thu được một lớp giao diện xốp của bismuth lithium tại chỗ. Do đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng Mg16Bi84 làm lớp tiếp xúc giữa chất điện phân lithium/rắn.
Mặc dù kết quả thử nghiệm cho thấy magiê có thể di chuyển tại chỗ, nhưng lớp giao diện Mg16Bi84 có khả năng ức chế đuôi gai lithium cao. Tuy nhiên, họ vẫn không hiểu lý do cơ bản dẫn đến sự di chuyển magiê.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã xác định được cơ chế liên quan thông qua một số lượng lớn các đặc tính, thí nghiệm và tính toán. Nghĩa là, sự di chuyển của magiê chủ yếu phụ thuộc vào các lý do sau:
Đầu tiên, magie và Li+ có thể tạo thành (LiMgx)+;
Thứ hai, magie có thể tạo thành dung dịch rắn với liti;
Thứ ba, trong bismuth lithiide, hàng rào năng lượng di chuyển của (LiMgx)+ thấp và lớp giao diện Mg16Bi84 có khả năng ức chế đuôi gai lithium cao.
Với những ưu điểm này, lớp giao diện Mg16Bi84 có thể ngăn chặn một cách hiệu quả sự phát triển của sợi nhánh lithium và đạt được sự lắng đọng và chiết xuất kim loại lithium có khả năng đảo ngược cao ở công suất và tốc độ lớn.
Nhìn chung, công việc này không chỉ mang lại cho pin kim loại lithium thể rắn mật độ năng lượng cao hơn mà còn cho phép nó đạt được khả năng sạc nhanh bằng cách sử dụng lớp giao diện Mg16Bi84 giá rẻ.
Chụp bài báo đăng trên tạp chí Nature
Gần đây, một bài báo liên quan đã được xuất bản trên tạp chí Nature với tiêu đề “Thiết kế giao diện cho pin lithium thể rắn”, Tiến sĩ Wan Hongli của Đại học Maryland là tác giả đầu tiên và Giáo sư Wang Chunsheng là đồng tác giả.
Dựa trên nguyên tắc thiết kế của loại pin này, họ đang nghiên cứu các lớp giao diện mới để giảm thêm chi phí. Cũng có thông tin cho biết Wan Hongli hiện đang tham gia nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu này và sẽ trở lại Trung Quốc để tiến hành nghiên cứu khoa học tiếp theo trong tương lai.
Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm của Wang Chunsheng tại Đại học Maryland ở Hoa Kỳ đã bắt đầu từ hai hạn chế chính này và thông qua sơ đồ thiết kế giao diện hợp lý, họ đã tạo ra một loại pin kim loại lithium thể rắn với mật độ năng lượng cao hơn và đạt được khả năng sạc nhanh thành công.
Mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh của pin hiện đang là nhu cầu chung cho các sản phẩm điện tử và xe điện nên thành tựu này có thể được ứng dụng trong điện thoại di động, xe điện, máy tính và các lĩnh vực khác.
Nghiên cứu trước đây của nhóm nghiên cứu này đã phát hiện ra rằng điện thế quá mức giữa các pha tới hạn là yếu tố chính trong việc đo lường khả năng của bề mặt phân cách chất điện phân rắn (SEI, pha rắn-điện phân) để ức chế sự phát triển của sợi nhánh lithium.
Để đạt được khả năng ức chế dendrite lithium cao tại giao diện, động lực tăng trưởng dendrite lithium phải thấp hơn khả năng ức chế dendrite lithium nội tại của giao diện điện phân rắn.
Do đó, để đạt được công suất cao và tốc độ sạc và xả cao, cần thiết kế giao diện cho giao diện chất điện phân Li/rắn để có thể đồng thời cải thiện khả năng ức chế dendrite lithium và giảm động lực phát triển lithium dendrite.
Dưới công suất cao và tốc độ cao, độ ổn định của quá trình sạc và xả pin cũng liên quan đến điện cực dương. Đối với pin lithium-ion lỏng, một số lượng lớn nghiên cứu đã chứng minh rằng nguyên tố F có thể duy trì độ ổn định của cực âm NMC811 ở mức độ lớn.
Sau đó, họ chọn lithium tetrafluoroborate làm lớp phủ trên bề mặt NMC811. Bằng cách di chuyển điện hóa một phần F từ bề mặt NMC811 sang pha khối NMC811, giao diện NMC811/Li6PS5Cl và pha khối NMC811 đạt được độ ổn định tốt hơn.
Để giảm động lực phát triển của lithium dendrite qua lớp giao diện, cần đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ tại mỗi giao diện giữa chất điện phân Li/rắn. Khi lớp giao diện được thêm thủ công sẽ xảy ra vấn đề tiếp xúc không đều. Trong quá trình phản ứng điện hóa, giao diện được tạo ra tại chỗ có thể đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ giữa mỗi giao diện.
Bằng cách sàng lọc các vật liệu kim loại khác nhau, họ phát hiện ra rằng magiê có thể phản ứng đồng thời với Li6PS5Cl và lithium, đồng thời LiMgSx và LiMg được tạo ra có thể hoạt động như chất kết dính để đạt được các giao diện Li6PS5Cl/lithium bismuth và lithium/lithium bismuth.
Ngoài ra, bằng cách tăng sự tiếp xúc giữa lithium kim loại và lớp giao diện, điện trở giao diện có thể giảm hơn nữa, do đó làm giảm thêm động lực cho sự phát triển dendrite lithium. Để đạt được mục tiêu này, có thể đạt được bằng cách thiết kế một lớp giao diện xốp.
Trong lớp giao diện xốp, để giảm hơn nữa khả năng lắng đọng lithium quá mức và cho phép lithium lắng đọng giữa lithium và lớp giao diện xốp, lớp giao diện xốp cần phải có tỷ lệ dẫn ion/electron cao. Bằng cách sàng lọc các vật liệu khác nhau, họ phát hiện ra rằng bismuth litiide thực sự có thể đáp ứng những điều kiện này.
Đồng thời, họ phát hiện ra rằng magiê sẽ di chuyển sang phía cực dương lithium trong quá trình lắng đọng lithium, do đó có thể thu được một lớp giao diện xốp của bismuth lithium tại chỗ. Do đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng Mg16Bi84 làm lớp tiếp xúc giữa chất điện phân lithium/rắn.
Mặc dù kết quả thử nghiệm cho thấy magiê có thể di chuyển tại chỗ, nhưng lớp giao diện Mg16Bi84 có khả năng ức chế đuôi gai lithium cao. Tuy nhiên, họ vẫn không hiểu lý do cơ bản dẫn đến sự di chuyển magiê.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã xác định được cơ chế liên quan thông qua một số lượng lớn các đặc tính, thí nghiệm và tính toán. Nghĩa là, sự di chuyển của magiê chủ yếu phụ thuộc vào các lý do sau:
Đầu tiên, magie và Li+ có thể tạo thành (LiMgx)+;
Thứ hai, magie có thể tạo thành dung dịch rắn với liti;
Thứ ba, trong bismuth lithiide, hàng rào năng lượng di chuyển của (LiMgx)+ thấp và lớp giao diện Mg16Bi84 có khả năng ức chế đuôi gai lithium cao.
Với những ưu điểm này, lớp giao diện Mg16Bi84 có thể ngăn chặn một cách hiệu quả sự phát triển của sợi nhánh lithium và đạt được sự lắng đọng và chiết xuất kim loại lithium có khả năng đảo ngược cao ở công suất và tốc độ lớn.
Nhìn chung, công việc này không chỉ mang lại cho pin kim loại lithium thể rắn mật độ năng lượng cao hơn mà còn cho phép nó đạt được khả năng sạc nhanh bằng cách sử dụng lớp giao diện Mg16Bi84 giá rẻ.
Gần đây, một bài báo liên quan đã được xuất bản trên tạp chí Nature với tiêu đề “Thiết kế giao diện cho pin lithium thể rắn”, Tiến sĩ Wan Hongli của Đại học Maryland là tác giả đầu tiên và Giáo sư Wang Chunsheng là đồng tác giả.
