Các nhà khoa học nhìn vào bên trong pin bằng con mắt phân tử

Các nhà khoa học quan sát gần hơn để hiểu chính xác những gì xảy ra bên trong pin khiến chúng dễ bị cháy, nhờ một con mắt phân tử.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển khả năng chiến đấu của quân đội Hoa Kỳ đã hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ năng lượng Hoa Kỳ để nghiên cứu các phản ứng hóa học xảy ra khi hai thành phần chính của mạch ghép nối pin, tạo thành một thành phần quan trọng trong pin thường được gọi là chất rắn -electrolyte-interphase, hoặc SEI.

Hiểu được cơ chế hóa học và hình thành của SEI này là chìa khóa để mở khóa pin tốt hơn trong tương lai, các nhà nghiên cứu cho biết. Nghiên cứu mới này, được kích hoạt bởi một kỹ thuật đóng vai trò là mắt phân tử, đưa ra một bức tranh năng động về hóa học và cấu trúc của SEI.

Theo các nhà nghiên cứu của quân đội, tiến sĩ Oleg Borodin, một nhà nghiên cứu thuộc nhóm nghiên cứu về điện hóa học, các tính chất này được biết là có ảnh hưởng đến tốc độ xả pin, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, an toàn và vòng đời.

Tiến sĩ Kang Xu, một nhà điều tra chính của dự án nghiên cứu này cho biết: “Họ ra lệnh rằng pin có thể được sạc nhanh như thế nào cho Warfighters để cải thiện khả năng hoạt động cũng như ngăn ngừa sự cố pin chậm và đột ngột trong khi thực hiện nhiệm vụ. Nhưng giống như các vấn đề tối, mọi người đều biết chúng tồn tại nhưng không ai biết chúng hoạt động như thế nào.”

Gần bốn năm trước, các nhà khoa học ARL đã bắt đầu hợp tác với các chuyên gia “những người không dùng pin”, Xu nói, nhưng có chuyên môn độc đáo về các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến. Ông cho biết các nhà nghiên cứu của Quân đội đã đặt ra những thách thức cơ bản phải đối mặt trong việc tìm hiểu các SEI và yêu cầu giúp đỡ. Sự hợp tác này đã dẫn đến một loạt các công trình đột phá trong SEI, và một số kết quả đã được công bố trên tạp chí Nature Chemistry và Nature Nanotech vào năm 2018 và 2019.

Công trình mới nhất của họ được giới thiệu trong bài báo, mô tả đặc tính khối phổ thời gian thực của xen kẽ chất điện phân rắn của pin lithium-ion, được công bố trên 27 tháng 1 năm 2020, tạp chí Nature Nanotech , một tạp chí khoa học đánh giá ngang hàng.

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Khoa học phân tử môi trường và Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đã phát triển kỹ thuật này, quang phổ khối ion thứ cấp lỏng tại chỗ và hợp tác với các nhà khoa học quân đội để áp dụng kỹ thuật này vào việc điều tra các hoạt động hóa học ở giao diện điện cực ở cấp độ phân tử khi Pin đã được sạc trong giờ đầu tiên. Họ đã theo dõi sự hình thành của SEI và biến thể hóa học của nó. Cách tiếp cận cho phép họ lập bản đồ các phản ứng hóa học khi chúng xảy ra. Khi kết hợp với mô phỏng động lực phân tử, công trình của họ đã tiết lộ một cái gì đó chỉ được suy đoán trước đó.

Trong quá trình sạc pin ban đầu, pin tạo thành một lớp điện kép ở giao diện điện cực / điện phân. Việc tạo ra lớp kép này dẫn đến các biến thể cấu trúc và hóa học tốt của SEI, cuối cùng sẽ quyết định hiệu suất của chính pin. Sự hiểu biết ở cấp độ phân tử về giao diện có thể đóng vai trò là kim chỉ nam sâu sắc cho những nỗ lực của các nhà khoa học quân đội trong việc thiết kế pin tốt hơn.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng trước khi xảy ra bất kỳ hóa chất giữa các tế bào (trong quá trình sạc ban đầu), một lớp điện kép hình thành ở giao diện điện cực / điện phân do sự tự lắp ráp của các phân tử dung môi. Sự hình thành của lớp kép được định hướng bởi Li + và thế năng bề mặt điện cực. Cấu trúc của lớp kép này dự đoán hóa học giữa các tế bào cuối cùng; đặc biệt, bề mặt điện cực tích điện âm sẽ đẩy các anion muối ra khỏi lớp bên trong và dẫn đến một SEI bên trong mỏng, đậm đặc và vô cơ trong tự nhiên. Chính lớp dày đặc này chịu trách nhiệm dẫn điện Li + và các electron cách điện, các chức năng chính của SEI. Một lớp bên ngoài thấm qua chất điện phân và giàu hữu cơ xuất hiện sau khi hình thành lớp bên trong. Với sự có mặt của chất điện phân đậm đặc, giàu florua, lớp SEI bên trong có nồng độ LiF tăng cao do sự hiện diện của các anion trong lớp kép. Những quan sát kích thước nano thời gian thực này sẽ hữu ích trong việc thiết kế các giai đoạn tốt hơn cho pin trong tương lai.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng nghiên cứu SEI trong pin lithium-ion, nhưng thành công hạn chế do không có kỹ thuật cho phép họ nhìn thấy hoạt động của pin ở quy mô nhỏ. Quan sát kích thước nano như vậy ở cấp độ phân tử là cần thiết để hiểu hóa học tại giao diện.

Vào năm 2017, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu của Quân đội hợp tác với Đại học Maryland đã phát triển một loại pin lithium-ion sử dụng dung dịch muối nước làm chất điện phân và đạt đến mức 4.0 volt mong muốn cho các thiết bị điện tử gia dụng, như máy tính xách tay, không bị cháy và rủi ro nổ liên quan đến một số pin lithium-ion không chứa nước có bán trên thị trường. Phần lớn pin có sẵn trên thị trường khác với pin nước được phát minh bởi nhóm này. Hiểu được SEI có thể dẫn đến cải thiện dần công nghệ hiện tại như một giải pháp tức thời cho nhiều ứng dụng của Quân đội.

Theo Sciencedaily