Pin có thể mạnh hơn với thiết kế điện cực mới của MIT

Một nhóm MIT đã phát minh ra cực dương kim loại lithium có thể cải thiện tuổi thọ và mật độ năng lượng của pin trong tương lai.

Nghiên cứu mới của các kỹ sư tại MIT và các nơi khác có thể dẫn đến pin có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mỗi pound và tồn tại lâu hơn, dựa trên mục tiêu tìm kiếm lâu dài là sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm một trong hai điện cực của pin, cực dương.

Khái niệm điện cực mới xuất phát từ phòng thí nghiệm của Ju Li, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của Liên minh Năng lượng Battelle và giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật. Nó được mô tả trên tạp chí  Nature , trong một bài báo được đồng tác giả bởi Yuming Chen và Ziqiang Wang tại MIT, cùng với 11 người khác tại MIT và ở Hồng Kông, Florida và Texas.

Thiết kế này là một phần của khái niệm phát triển pin toàn trạng thái an toàn, phân phối với chất lỏng hoặc gel polymer thường được sử dụng làm vật liệu điện phân giữa hai điện cực của pin. Chất điện phân cho phép các ion lithium di chuyển qua lại trong các chu kỳ sạc và xả của pin, và một phiên bản hoàn toàn rắn có thể an toàn hơn các chất điện phân lỏng, có độ bay hơi cao và là nguồn gây nổ trong pin lithium.

Đã có rất nhiều công việc về pin trạng thái rắn, với các điện cực kim loại lithium và chất điện phân rắn, theo Li Li, nhưng những nỗ lực này đã phải đối mặt với một số vấn đề.

Một trong những vấn đề lớn nhất là khi pin được sạc đầy, các nguyên tử tích tụ bên trong kim loại lithium, khiến nó bị giãn nở. Kim loại sau đó co lại một lần nữa trong quá trình xả, vì pin được sử dụng. Những thay đổi lặp đi lặp lại trong kích thước của kim loại, hơi giống như quá trình hít vào và thở ra, khiến cho chất rắn khó duy trì sự tiếp xúc liên tục và có xu hướng làm cho chất điện phân rắn bị nứt hoặc tách ra.

Một vấn đề khác là không có chất điện phân rắn được đề xuất nào thực sự ổn định về mặt hóa học trong khi tiếp xúc với kim loại lithium có khả năng phản ứng cao và chúng có xu hướng xuống cấp theo thời gian.

Hầu hết các nỗ lực để khắc phục những vấn đề này đã tập trung vào việc thiết kế các vật liệu điện phân rắn hoàn toàn ổn định chống lại kim loại lithium, điều này hóa ra là khó khăn. Thay vào đó, Li và nhóm của ông đã áp dụng một thiết kế khác thường sử dụng hai loại chất rắn bổ sung là dây dẫn ion điện tử hỗn hợp (MIEC) và điện tử cách ly điện tử và ion cách ly (ELI), có khả năng ổn định hóa học khi tiếp xúc với lithium kim loại.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển kiến ​​trúc nano ba chiều dưới dạng một ống MIEC hình lục giác giống như tổ ong, được truyền một phần bằng kim loại lithium rắn để tạo thành một điện cực của pin, nhưng có thêm không gian bên trong mỗi ống. Khi lithium mở rộng trong quá trình sạc, nó sẽ chảy vào khoảng trống trong phần bên trong của các ống, di chuyển như một chất lỏng mặc dù nó vẫn giữ cấu trúc tinh thể rắn. Dòng chảy này, hoàn toàn giới hạn bên trong cấu trúc tổ ong, làm giảm áp lực từ sự giãn nở do sạc, nhưng không thay đổi kích thước bên ngoài của điện cực hoặc ranh giới giữa điện cực và chất điện phân. Vật liệu khác, ELI, đóng vai trò là chất kết dính cơ học quan trọng giữa các bức tường MIEC và lớp chất điện phân rắn.

Tiết kiệm Chúng tôi thiết kế cấu trúc này cung cấp cho chúng tôi các điện cực ba chiều, giống như một tổ ong, Li Li nói. Các khoảng trống trong mỗi ống của cấu trúc cho phép lithium chuyển đổi ngược dòng vào các ống, và theo cách đó, nó không tạo ra căng thẳng để phá vỡ chất điện phân rắn. Sự mở rộng và co lại của lithium bên trong các ống này di chuyển vào và ra, giống như piston của động cơ xe hơi bên trong xi lanh của chúng. Bởi vì các cấu trúc này được chế tạo ở kích thước nano (các ống có đường kính khoảng 100 đến 300 nanomet và chiều cao hàng chục micron), kết quả giống như một động cơ với 10 tỷ pít-tông, với kim loại lithium là chất lỏng làm việc, Li Li nói.

Bởi vì các bức tường của các cấu trúc giống như tổ ong này được làm bằng MIEC ổn định về mặt hóa học, lithium không bao giờ mất tiếp xúc điện với vật liệu, Li nói. Do đó, toàn bộ pin rắn có thể vẫn ổn định về mặt cơ học và hóa học khi nó đi qua các chu kỳ sử dụng. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh khái niệm bằng thực nghiệm, đưa một thiết bị thử nghiệm qua 100 chu kỳ sạc và xả mà không tạo ra bất kỳ vết nứt nào của chất rắn.

Li nói rằng mặc dù nhiều nhóm khác đang nghiên cứu cái mà họ gọi là pin rắn, hầu hết các hệ thống đó thực sự hoạt động tốt hơn với một số chất điện phân lỏng trộn với vật liệu điện phân rắn. Tuy nhiên, trong trường hợp của chúng tôi, anh ấy nói, đó thực sự là tất cả. Không có chất lỏng hoặc gel trong bất kỳ loại nào.

Hệ thống mới này có thể dẫn đến các cực dương an toàn chỉ nặng bằng một phần tư so với các đối tác thông thường của chúng trong pin lithium-ion, với cùng dung lượng lưu trữ. Nếu kết hợp với các khái niệm mới cho các phiên bản nhẹ của điện cực khác, cực âm, công việc này có thể dẫn đến việc giảm đáng kể trọng lượng chung của pin lithium-ion. Ví dụ, nhóm nghiên cứu hy vọng nó có thể dẫn đến điện thoại di động có thể được sạc chỉ ba ngày một lần, mà không làm cho điện thoại trở nên nặng hơn hoặc cồng kềnh.

Một khái niệm mới về cực âm nhẹ hơn được mô tả bởi một nhóm khác do Li dẫn đầu, trong một bài báo xuất hiện vào tháng trước trên tạp chí  Nature Energy, đồng tác giả bởi MIT postdoc Zhi Zhu và nghiên cứu sinh Daiwei Yu. Vật liệu này sẽ làm giảm việc sử dụng niken và coban, vốn đắt tiền và độc hại và được sử dụng trong catốt ngày nay. Cực âm mới không chỉ dựa vào sự đóng góp công suất từ ​​các kim loại chuyển tiếp này trong chu kỳ pin. Thay vào đó, nó sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào khả năng oxy hóa khử của oxy, nhẹ hơn và phong phú hơn nhiều. Nhưng trong quá trình này, các ion oxy trở nên linh hoạt hơn, có thể khiến chúng thoát ra khỏi các hạt catốt. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp xử lý bề mặt nhiệt độ cao bằng muối nóng chảy để tạo ra một lớp bề mặt bảo vệ trên các hạt oxit kim loại giàu mangan và lithium, do đó lượng oxy bị giảm đáng kể.

Mặc dù lớp bề mặt rất mỏng, chỉ dày từ 5 đến 20 nanomet trên hạt rộng 400 nanomet, nhưng nó bảo vệ tốt cho vật liệu bên dưới. Hầu như nó giống như tiêm chủng, chanh Li nói, chống lại tác động phá hủy của việc mất oxy trong pin được sử dụng ở nhiệt độ phòng. Các phiên bản hiện tại cung cấp ít nhất 50 phần trăm năng lượng có thể được lưu trữ cho một trọng lượng nhất định, với độ ổn định đạp xe tốt hơn nhiều.

Cho đến nay, nhóm nghiên cứu mới chỉ chế tạo được các thiết bị quy mô phòng thí nghiệm nhỏ, nhưng tôi hy vọng điều này có thể được nhân rộng rất nhanh. Các vật liệu cần thiết, chủ yếu là mangan, rẻ hơn đáng kể so với niken hoặc coban được sử dụng bởi các hệ thống khác, vì vậy các catốt này có thể có giá chỉ bằng 1/5 so với các phiên bản thông thường.

Theo Scitechdaily