Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế mới để ổn định điện cực kim loại lithium và chất điện phân trong pin kim loại lithium.
Cơ chế mới này, không phụ thuộc vào phương pháp động học truyền thống, có tiềm năng tăng cường đáng kể mật độ năng lượng — lượng năng lượng được lưu trữ so với trọng lượng hoặc thể tích — của pin.
>> Tham khảo: Photon nhỏ nhất thế giới trong vật liệu điện môi.
Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Nature Energy.
Pin kim loại lithium là một công nghệ đầy hứa hẹn có tiềm năng đáp ứng nhu cầu về các hệ thống lưu trữ mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, do sự phân hủy chất điện phân không ngừng trong các loại pin này nên hiệu suất Coulomb của chúng thấp.
Hiệu suất Coulombic, còn được gọi là hiệu suất hiện tại, mô tả hiệu suất mà các electron được chuyển trong pin. Vì vậy, pin có hiệu suất Coulomb cao sẽ có tuổi thọ chu kỳ pin dài hơn.
“Đây là bài báo đầu tiên đề xuất tiềm năng điện cực và các đặc điểm cấu trúc liên quan làm số liệu để thiết kế chất điện phân pin kim loại lithium, được trích xuất bằng cách giới thiệu khoa học dữ liệu kết hợp với tính toán máy tính.
>> Tham khảo: Chất xúc tác bền, rẻ tiền làm giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất amoniac.
Dựa trên những phát hiện của chúng tôi, một số chất điện phân, cho phép hiệu suất Coulombic cao, đã được phát triển một cách dễ dàng,” Atsuo Yamada, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hệ thống Hóa học tại Đại học Tokyo cho biết.
Công trình của nhóm có khả năng mang lại những cơ hội mới trong việc thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium.
Trong pin lithium-ion, ion lithium di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua chất điện phân trong quá trình sạc và ngược lại khi xả. Bằng cách sử dụng các điện cực có mật độ năng lượng cao, mật độ năng lượng của pin có thể được cải thiện.
Trong bối cảnh này, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong nhiều thập kỷ qua nhằm thay đổi điện cực âm than chì thành kim loại lithium.
>> Tham khảo: Cải thiện trong nông nghiệp thông minh giúp giảm biến đổi khí hậu.
Tuy nhiên, kim loại liti có khả năng phản ứng cao, làm giảm chất điện phân trên bề mặt của nó. Do đó, điện cực kim loại lithium cho thấy hiệu suất Coulombic kém.
Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển các chất điện giải chức năng và các chất phụ gia điện giải tạo thành một lớp màng bảo vệ bề mặt. Sự xen kẽ chất điện phân rắn này có tác động đến sự an toàn và hiệu quả của pin lithium.
Lớp màng bảo vệ bề mặt ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa chất điện phân và điện cực kim loại lithium, do đó làm chậm quá trình khử chất điện phân một cách động học.
Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hết mối tương quan giữa pha điện phân rắn và hiệu suất Coulomb.
Các nhà khoa học biết rằng nếu họ cải thiện tính ổn định của chất điện phân rắn xen kẽ, thì họ có thể làm chậm quá trình phân hủy chất điện phân và tăng hiệu suất Coulombic của pin.
Nhưng ngay cả với các công nghệ tiên tiến, các nhà khoa học vẫn khó phân tích trực tiếp chất hóa học xen kẽ chất điện phân rắn. Hầu hết các nghiên cứu về chất điện phân rắn xen kẽ đã được thực hiện với các phương pháp gián tiếp.
>> Tham khảo: Chuyển đổi thông tin di truyền từ DNA sang protein: vai trò của mRNA.
Những nghiên cứu này cung cấp bằng chứng gián tiếp, do đó gây khó khăn cho việc phát triển kim loại lithium ổn định chất điện phân dẫn đến hiệu suất Coulomb cao.
Nhóm nghiên cứu đã xác định rằng nếu họ có thể nâng cao thế oxy hóa-khử của kim loại liti trong một hệ thống điện phân cụ thể, thì họ có thể giảm động lực nhiệt động lực học để giảm chất điện phân, và do đó đạt được hiệu suất Coulomb cao hơn.
Chiến lược này hiếm khi được áp dụng trong việc phát triển pin bằng kim loại lithium. Atsuo Yamada cho biết: “Tiềm năng oxy hóa-khử nhiệt động lực học của kim loại lithium, thay đổi đáng kể tùy thuộc vào chất điện phân, là một yếu tố đơn giản nhưng bị bỏ qua ảnh hưởng đến hiệu suất của pin kim loại lithium”.
Nhóm đã nghiên cứu khả năng oxy hóa – khử của kim loại liti trong 74 loại chất điện phân. Các nhà nghiên cứu đã đưa một hợp chất gọi là ferrocene vào tất cả các chất điện phân như một tiêu chuẩn nội bộ được khuyến nghị bởi IUPAC (Liên minh Hóa học Thuần túy và Ứng dụng Quốc tế) cho các thế điện cực.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có mối tương quan giữa khả năng oxy hóa-khử của kim loại lithium và hiệu suất Coulombic. Họ đã thu được hiệu suất Coulomb cao với khả năng oxy hóa-khử được tăng cường của kim loại liti.
>> Tham khảo: Các cấu trúc lai mới có thể mở đường cho các máy tính lượng tử ổn định hơn.
Hướng tới công việc trong tương lai, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là tiết lộ cơ chế hợp lý đằng sau sự dịch chuyển thế năng oxy hóa-khử một cách chi tiết hơn.
“Chúng tôi sẽ thiết kế chất điện phân đảm bảo hiệu suất Coulomb lớn hơn 99,95%. Hiệu suất Culông của kim loại liti thấp hơn 99%, ngay cả với các chất điện phân tiên tiến. Tuy nhiên, cần ít nhất 99,95% để thương mại hóa pin kim loại liti “, Atsuo Yamada nói.
Nghiên cứu này được thực hiện với sự cộng tác của Viện Công nghệ Nagoya.
