Vật liệu cực dương mới có thể giúp pin sạc nhanh an toàn hơn

Các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại vật liệu cực dương mới cho phép sạc lại pin lithium-ion một cách an toàn trong vòng vài phút cho hàng nghìn chu kỳ.

Các nhà khoa học tại UC San Diego đã phát hiện ra một loại vật liệu cực dương mới cho phép sạc lại pin lithium-ion một cách an toàn trong vòng vài phút cho hàng nghìn chu kỳ. Được biết đến như một loại đá hỗn hợp, cực dương mới được tạo thành từ các nguyên tử liti, vanadi và oxy có nhiều trong đất được sắp xếp theo cách tương tự như muối ăn thông thường, nhưng một cách ngẫu nhiên. Nó đầy hứa hẹn cho các ứng dụng thương mại, nơi mà cả mật độ năng lượng cao và công suất lớn đều được mong muốn, chẳng hạn như ô tô điện, máy hút bụi hoặc máy khoan.

Nghiên cứu do các kỹ sư nano trong phòng thí nghiệm của các Giáo sư Ping Liu và Shyue Ping Ong cùng chỉ đạo, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 2 tháng 9.

Hiện nay, hai vật liệu được sử dụng làm cực dương trong hầu hết các loại pin lithium-ion thương mại cung cấp năng lượng cho các mặt hàng như điện thoại di động, máy tính xách tay và xe điện. Phổ biến nhất, một anode graphite, cực kỳ năng lượng dày đặc – một pin lithium ion với một anode graphite có thể cấp năng lượng cho một chiếc xe cho hàng trăm dặm mà không cần phải được sạc. Tuy nhiên, việc sạc lại cực dương bằng than chì quá nhanh có thể dẫn đến cháy và nổ do quá trình mạ kim loại liti. Một giải pháp thay thế an toàn hơn, cực dương titanate lithium, có thể được sạc lại nhanh chóng nhưng dẫn đến mật độ năng lượng giảm đáng kể, có nghĩa là pin cần được sạc lại thường xuyên hơn.

Cực dương đá mới này – Li3V2O5 – nằm ở vị trí trung gian quan trọng: nó an toàn hơn khi sử dụng so với than chì, nhưng cung cấp một loại pin có năng lượng nhiều hơn ít nhất 71% so với litanat.

“Công suất và năng lượng sẽ thấp hơn một chút so với than chì, nhưng nó nhanh hơn, an toàn hơn và có tuổi thọ cao hơn. Nó có điện áp thấp hơn nhiều và do đó mật độ năng lượng được cải thiện nhiều so với các cực dương lithium-titanate sạc nhanh được thương mại hóa hiện nay”, Haodong nói Liu, một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Ping Liu và là tác giả đầu tiên của bài báo. “Vì vậy, với vật liệu này, chúng tôi có thể tạo ra pin sạc nhanh, an toàn với tuổi thọ cao mà không phải hy sinh quá nhiều mật độ năng lượng.”

Các nhà nghiên cứu đã thành lập một công ty tên là Tyfast để thương mại hóa khám phá này. Thị trường đầu tiên của startup sẽ là xe buýt điện và các công cụ điện, vì các đặc điểm của đá hỗn hợp Li3V2O5 khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị có thể dễ dàng lên lịch sạc lại.

Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Liu có kế hoạch tiếp tục phát triển vật liệu cực dương oxit lithium-vanadium này, đồng thời tối ưu hóa các thành phần pin khác để phát triển một tế bào đầy đủ khả thi về mặt thương mại.

Ping Liu cho biết: “Trong một thời gian dài, cộng đồng pin đã tìm kiếm một vật liệu cực dương hoạt động ở mức tiềm năng chỉ trên than chì để có thể sạc nhanh, an toàn cho pin lithium-ion. “Chúng tôi rất vui mừng vì tiềm năng thương mại của nó vì vật liệu này có thể là một giải pháp bổ sung cho quy trình sản xuất pin lithium-ion ngày nay.”

Tại sao thử vật liệu này?

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên thử nghiệm với loại đá rối loạn làm cực âm của pin cách đây 6 năm. Kể từ đó, nhiều công việc đã được thực hiện để biến vật liệu này thành một cực âm hiệu quả. Haodong Liu cho biết nhóm UC San Diego đã quyết định thử nghiệm vật liệu làm cực dương dựa trên linh cảm.

Ông nói: “Khi mọi người sử dụng nó như một cực âm, họ phải phóng vật liệu tới 1,5 vôn. “Nhưng khi xem xét cấu trúc của vật liệu làm catốt ở 1,5 vôn, chúng tôi nghĩ rằng vật liệu này có cấu trúc đặc biệt có thể chứa nhiều ion liti hơn – có nghĩa là nó có thể đi đến điện áp thấp hơn nữa để hoạt động như một cực dương. “

Trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng cực dương stonealt bị rối loạn của họ có thể đảo ngược chu kỳ hai ion lithium ở điện áp trung bình 0,6 V – cao hơn 0,1 V của graphite, loại bỏ lớp mạ kim loại lithium ở tốc độ sạc cao, giúp pin an toàn hơn, nhưng thấp hơn 1,5 V mà tại đó lithium-titanate xen giữa lithium, và do đó tích trữ nhiều năng lượng hơn.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cực dương Li3V2O5 có thể quay vòng trong hơn 6.000 chu kỳ với sự suy giảm dung lượng không đáng kể và có thể sạc và xả năng lượng nhanh chóng, cung cấp hơn 40% công suất của nó trong 20 giây. Điện áp thấp và tốc độ truyền năng lượng cao là do cơ chế xen kẽ liti phân phối lại độc đáo với các rào cản năng lượng thấp.

Học giả sau tiến sĩ Zhuoying Zhu, từ Phòng thí nghiệm Ảo Vật liệu của Giáo sư Shyue Ping Ong, đã thực hiện các phép tính lý thuyết để hiểu tại sao cực dương Li3V2O5 bị rối loạn của đá hoạt động tốt như nó.

Zhuoying Zhu cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng Li3V2O5 hoạt động thông qua cơ chế sạc khác với các vật liệu điện cực khác. Các ion lithium tự sắp xếp lại theo cách tạo ra cả điện áp thấp cũng như khuếch tán lithium nhanh”.

Ong nói thêm: “Chúng tôi tin rằng có những vật liệu điện cực khác đang chờ được khám phá hoạt động theo cơ chế tương tự.

Các nghiên cứu thử nghiệm tại UC San Diego được tài trợ bởi giải thưởng từ quỹ khởi nghiệp UC San Diego cho Ping Liu, trong khi các nghiên cứu lý thuyết được tài trợ bởi Bộ Năng lượng và Chương trình Cơ sở hạ tầng Dữ liệu Quang phổ Địa phương của Quỹ Khoa học Quốc gia (DIBBS) và sử dụng các tài nguyên tại Trung tâm Siêu máy tính San Diego được cung cấp trong Môi trường Khám phá Kỹ thuật và Khoa học Cực đoan (XSEDE).

Theo Katherine Connor