Đột phá tấm điện phân linh hoạt cho pin lithium kim loại tiên tiến

Sản xuất chất điện phân tấm linh hoạt dựa trên gốm ở nhiệt độ phòng.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo Metropolitan đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo các tấm điện phân mềm dẻo dựa trên gốm cho pin kim loại lithium. Họ đã kết hợp một loại gốm garnet, chất kết dính polymer và chất lỏng ion, tạo ra chất điện phân dạng bán rắn. Quá trình tổng hợp được thực hiện ở nhiệt độ phòng, đòi hỏi năng lượng ít hơn đáng kể so với các quá trình nhiệt độ cao (> 1000 ° C) hiện có. Nó hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng, làm cho nó trở thành một chất điện phân đầy hứa hẹn cho pin, ví dụ như xe điện.

Nhiên liệu hóa thạch chiếm phần lớn nhu cầu năng lượng của thế giới, bao gồm cả điện mà chúng ta sử dụng. Nhưng nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, và đốt cháy chúng cũng dẫn đến sự phát thải trực tiếp carbon dioxide và các chất ô nhiễm khác như oxit nitơ độc hại vào khí quyển. Có một nhu cầu toàn cầu để chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo sạch hơn. Nhưng các nguồn năng lượng tái tạo chính như gió và năng lượng mặt trời thường không liên tục – gió không thổi mọi lúc và mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm. Do đó, các hệ thống lưu trữ năng lượng tiên tiến được yêu cầu sử dụng các nguồn tái tạo, không liên tục hiệu quả hơn. Pin lithium ion đã có tác động sâu sắc đến xã hội hiện đại, cung cấp năng lượng cho một loạt các thiết bị và thiết bị điện tử cầm tay như máy hút bụi không dây kể từ khi Sony được thương mại hóa vào năm 1991.

Điều này đã dẫn đến sự phục hưng của nghiên cứu về pin kim loại lithium : cực dương kim loại lithium có công suất lý thuyết cao hơn nhiều so với cực dương than chì trong sử dụng thương mại hiện nay. Vẫn còn những rào cản công nghệ liên quan đến cực dương kim loại lithium. Ví dụ, trong pin dựa trên chất lỏng, dendrites lithium (hoặc cánh tay) có thể phát triển có thể làm chập điện pin và thậm chí dẫn đến cháy nổ. Đó là nơi mà các chất điện phân vô cơ ở trạng thái rắn đã xuất hiện: chúng an toàn hơn đáng kể và loại gốm (loại cấu trúc) garnet Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂, được biết đến nhiều hơn với tên LLZO, hiện được coi là một vật liệu điện phân trạng thái rắn đầy hứa hẹn vì độ dẫn ion cao và khả năng tương thích với kim loại Li. Tuy nhiên, sản xuất chất điện phân LLZO mật độ cao đòi hỏi nhiệt độ thiêu kết rất cao, cao tới 1200 ° C. Đây là cả năng lượng không hiệu quả và tốn thời gian, làm cho việc sản xuất các chất điện phân LLZO quy mô lớn trở nên khó khăn. Ngoài ra, sự tiếp xúc vật lý kém giữa các chất điện phân LLZO giòn và các vật liệu điện cực thường dẫn đến tính kháng liên kết cao, hạn chế đáng kể ứng dụng của chúng trong pin Li-metal trạng thái rắn.

Nhóm nghiên cứu nói rằng độ bền cơ học và khả năng hoạt động của tấm composite linh hoạt ở một phạm vi nhiệt độ rộng làm cho nó trở thành một chất điện phân đầy hứa hẹn cho pin Li-metal. Tín dụng: Đại học Tokyo Metropolitan

Do đó, một nhóm do Giáo sư Kiyoshi Kanamura dẫn đầu tại Đại học Tokyo Metropolitan đã bắt đầu phát triển một chất điện phân tấm LLZO linh hoạt có thể được chế tạo ở nhiệt độ phòng. Họ đúc một lớp gốm LLZO lên một lớp nền polymer mỏng, giống như phết bơ lên ​​bánh mì nướng. Sau khi sấy khô trong lò chân không, chất điện phân tấm dày 75 micron được ngâm trong chất lỏng ion (IL) để cải thiện độ dẫn ion của nó. IL là các muối ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, được biết là có tính dẫn điện cao trong khi hầu như không bắt lửa và không bay hơi. Bên trong các tấm, IL đã lấp đầy thành công các khoảng trống siêu nhỏ trong cấu trúc và bắc cầu cho các hạt LLZO, tạo thành một con đường hiệu quả cho các ion Li-ion. Chúng cũng có hiệu quả làm giảm sức cản giao thoa ở cực âm. Về điều tra thêm, họ phát hiện ra rằng các ion Li khuếch tán qua cả hạt IL và hạt LLZO trong cấu trúc, làm nổi bật vai trò của cả hai. Việc tổng hợp rất đơn giản và phù hợp cho sản xuất công nghiệp: toàn bộ quá trình được thực hiện ở nhiệt độ phòng mà không cần thiêu kết ở nhiệt độ cao.

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, nhóm nghiên cứu nói rằng độ bền cơ học và khả năng hoạt động của tấm composite linh hoạt ở một phạm vi nhiệt độ rộng làm cho nó trở thành một chất điện phân đầy hứa hẹn cho pin Li-metal. Sự đơn giản của phương pháp tổng hợp mới này có thể có nghĩa là chúng ta sẽ thấy pin kim loại lithium dung lượng cao trên thị trường sớm hơn chúng ta nghĩ.

Theo Scitechdaily