Theo báo chí nước ngoài, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Brookhaven National Laboratory) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã xác định chi tiết mới về cơ chế phản ứng bên trong của pin cực dương kim loại lithium. , Một bước quan trọng để pin xe điện rẻ hơn.

Các nhà nghiên cứu pin tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven)

Tái sản xuất cực dương Lithium

Từ điện thoại thông minh đến xe điện, chúng ta có thể thấy sự truyền thống. Mặc dù pin lithium đã cho phép nhiều công nghệ được sử dụng rộng rãi, nhưng chúng vẫn phải đối mặt với những thách thức trong việc cung cấp năng lượng đường dài cho xe điện.

Battery500, một liên minh do các nhà nghiên cứu đại học đứng đầu được tài trợ bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (PNNL) và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nhằm tạo ra một tế bào pin có mật độ năng lượng 500Wh / kg. Nói cách khác, nó gấp đôi mật độ năng lượng của các loại pin tiên tiến nhất hiện nay. Để đạt được mục tiêu này, liên minh tập trung vào các loại pin làm từ cực dương kim loại lithium.

Pin kim loại liti sử dụng kim loại liti làm cực dương. Ngược lại, hầu hết pin lithium sử dụng than chì làm cực dương. Các nhà nghiên cứu cho biết: “Cực dương lithium là một trong những yếu tố quan trọng để đạt được mục tiêu về mật độ năng lượng của Pin 500. “Ưu điểm là mật độ năng lượng gấp đôi so với các loại pin hiện có. Thứ nhất, dung lượng riêng của cực dương rất cao; thứ hai, bạn có thể có pin điện áp cao hơn và sự kết hợp của cả hai có thể có mật độ năng lượng cao hơn. ”

Các nhà khoa học từ lâu đã nhận ra những ưu điểm của cực dương liti; trên thực tế, cực dương kim loại liti là cực dương đầu tiên được ghép với cực âm của pin. Tuy nhiên, do thiếu tính “thuận nghịch” của cực dương, tức là khả năng sạc thông qua phản ứng điện hóa có thể đảo ngược, các nhà nghiên cứu pin đã sử dụng cực dương graphit thay vì cực dương kim loại lithium để chế tạo pin lithium.

Giờ đây, sau nhiều thập kỷ tiến bộ, các nhà nghiên cứu tự tin đã nhận ra một cực dương kim loại lithium có thể đảo ngược để đẩy các giới hạn của pin lithium. Điều quan trọng là giao diện, lớp vật liệu rắn hình thành trên các điện cực của pin trong quá trình phản ứng điện hóa.

Các nhà nghiên cứu cho biết: “Nếu chúng ta có thể hiểu đầy đủ về giao diện này, nó có thể cung cấp hướng dẫn quan trọng cho việc thiết kế vật liệu và sản xuất các cực dương lithium có thể đảo ngược”. “Nhưng hiểu được giao diện này là một thách thức khá lớn vì nó là một lớp vật liệu rất mỏng, chỉ dày vài nanomet và rất nhạy cảm với không khí và độ ẩm, vì vậy việc xử lý mẫu rất khó khăn.”

Giao diện này được hiển thị trong NSLS-II

Để giải quyết những thách thức này và “nhìn thấy” thành phần hóa học và cấu trúc của giao diện, các nhà nghiên cứu đã sử dụng Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II), một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, nơi sản xuất tia X siêu sáng để nghiên cứu tính chất vật liệu của mặt phân cách ở quy mô nguyên tử.

Ngoài việc sử dụng các khả năng tiên tiến của nSLS-II, nhóm cũng cần sử dụng một đường chùm (trạm thí nghiệm) có thể phát hiện tất cả các thành phần của giao diện và sử dụng tia X năng lượng cao (bước sóng ngắn) để phát hiện tinh thể. và các pha vô định hình.

Các nhà nghiên cứu cho biết: “Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp tiếp cận đa chế độ XPD, sử dụng hai kỹ thuật khác nhau được cung cấp bởi đường chùm tia, nhiễu xạ tia X (XRD) và phân tích hàm phân phối (PDF). “XRD có thể nghiên cứu các pha tinh thể và PDF có thể nghiên cứu các pha vô định hình.”

Phân tích XRD và PDF cho thấy kết quả thú vị: Lithium hydride (LiH) tồn tại trong giao diện. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tranh cãi về sự tồn tại của LiH trong giao diện, tạo ra sự không chắc chắn về cơ chế phản ứng cơ bản hình thành giao diện.

“LiH và liti florua (LiF) có cấu trúc tinh thể rất giống nhau. Tuyên bố của chúng tôi về việc phát hiện ra LiH đã bị nghi ngờ bởi một số người tin rằng chúng tôi nhầm LiF với LiH, ”nhà nghiên cứu cho biết.

Trước những tranh cãi liên quan đến nghiên cứu và những thách thức kỹ thuật trong việc phân biệt LiH với LiF, nhóm nghiên cứu đã quyết định cung cấp nhiều bằng chứng về sự tồn tại của LiH, bao gồm cả việc tiến hành các thí nghiệm tiếp xúc với không khí.

“Các nhà nghiên cứu cho biết:“ LiF ổn định trong không khí, nhưng LiH không ổn định. Nếu chúng ta để bề mặt tiếp xúc với không khí ẩm và nếu lượng hợp chất giảm dần theo thời gian, chúng ta có thể xác nhận rằng chúng ta thực sự đang nhìn thấy LiH, không phải LiF và đó là LiF. Do khó phân biệt LiH với LiF và thí nghiệm tiếp xúc với không khí chưa từng được thực hiện trước đây, LiH rất có thể bị nhầm với LiF trong nhiều báo cáo tài liệu, hoặc nó không được quan sát thấy do LiH phân hủy trong môi trường ẩm ướt. ”

Nhà nghiên cứu tiếp tục. “Công việc chuẩn bị mẫu do PNNL thực hiện là rất quan trọng đối với nghiên cứu này. Chúng tôi nghi ngờ rằng nhiều người không xác định được LiH vì mẫu của họ đã tiếp xúc với môi trường ẩm ướt trước khi thử nghiệm ”. Nếu bạn không thu thập mẫu chính xác, niêm phong mẫu và Vận chuyển mẫu, bạn có thể bỏ sót LiH. ”

Ngoài việc xác nhận sự tồn tại của LiH, nhóm còn giải đáp được một bí ẩn lâu đời khác xung quanh LiF. LiF từ lâu đã được coi là một thành phần có lợi của giao diện, nhưng không ai hiểu rõ lý do. Nhóm nghiên cứu đã xác định sự khác biệt về cấu trúc của LiF trong giao diện và hầu hết các khác biệt về cấu trúc của chính LiF, và nhận thấy rằng chất này thúc đẩy sự vận chuyển của các ion liti giữa cực dương và cực âm.

Các nhà khoa học pin từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, các phòng thí nghiệm quốc gia khác và các trường đại học tiếp tục hợp tác. Các nhà nghiên cứu nói rằng những kết quả này sẽ cung cấp hướng dẫn thực tế rất cần thiết cho sự phát triển của cực dương kim loại lithium.