Để thiết kế pin ion có thể sạc lại tốt hơn, các kỹ sư và nhà hóa học từ Đại học Illinois Urbana-Champaign đã hợp tác kết hợp kỹ thuật kính hiển vi điện tử mới mạnh mẽ và khai thác dữ liệu để xác định trực quan các khu vực thay đổi hóa học và vật lý trong pin ion.
Một nghiên cứu do các giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu Qian Chen và Jian-Min Zuo dẫn đầu là nghiên cứu đầu tiên vạch ra các miền thay đổi bên trong pin ion có thể sạc lại ở cấp độ nano – độ phân giải tăng gấp 10 lần hoặc hơn so với các phương pháp quang học và tia X hiện tại.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Những phát hiện được công bố trên tạp chí Vật liệu tự nhiên.
Nhóm nghiên cứu cho biết những nỗ lực trước đây nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động và hỏng hóc của vật liệu pin chủ yếu tập trung vào hiệu ứng hóa học của các chu kỳ sạc lại, cụ thể là những thay đổi trong thành phần hóa học của các điện cực pin.
Một kỹ thuật kính hiển vi điện tử mới, được gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua quét bốn chiều, cho phép nhóm nghiên cứu sử dụng một đầu dò có độ tập trung cao để thu thập hình ảnh về hoạt động bên trong của pin.
Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và tác giả đầu tiên Wenxiang Chen cho biết: “Trong quá trình hoạt động của pin ion có thể sạc lại, các ion khuếch tán vào và ra khỏi các điện cực, gây ra lực căng cơ học và đôi khi làm nứt vỡ.
>> Tham khảo: Hiểu biết về xeri có thể giúp nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện.
“Sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử mới, lần đầu tiên chúng ta có thể nắm bắt được các miền kích thước nano gây ra biến dạng bên trong vật liệu pin.”
Qian Chen cho biết những loại chuyển đổi không đồng nhất cấu trúc vi mô này đã được nghiên cứu rộng rãi trong gốm sứ và luyện kim nhưng chưa được sử dụng trong vật liệu lưu trữ năng lượng cho đến khi nghiên cứu này.
Zuo cho biết: “Phương pháp 4D-STEM rất quan trọng để lập bản đồ các biến thể không thể tiếp cận được của độ kết tinh và hướng miền bên trong vật liệu.
Nhóm đã so sánh các quan sát 4D-STEM của mình với mô hình điện toán do giáo sư khoa học cơ khí và kỹ thuật Elif Ertekin dẫn đầu để phát hiện ra những biến thể này.
>> Tham khảo: Công nghệ mới tạo ra hóa chất trung tính carbon từ không khí.
Qian Chen cho biết: “Việc khai thác dữ liệu kết hợp và dữ liệu 4D-STEM cho thấy một mô hình quá trình tạo mầm, tăng trưởng và kết hợp bên trong pin khi các miền kích thước nano căng thẳng phát triển”.
“Những mẫu này đã được xác minh thêm bằng cách sử dụng dữ liệu nhiễu xạ tia X được thu thập bởi giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu và đồng tác giả nghiên cứu Daniel Shoemaker.”
Qian Chen có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu này bằng cách tạo ra các bộ phim về quá trình này — điều mà phòng thí nghiệm của cô ấy nổi tiếng.
Paul Braun, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Tác động của nghiên cứu này có thể vượt ra ngoài hệ thống pin ion đa hóa trị được nghiên cứu ở đây.
>> Tham khảo: Trao đổi chất được tìm thấy để điều chỉnh sản xuất tế bào sát thủ.
“Khái niệm, nguyên tắc và khung đặc tính cho phép áp dụng cho các điện cực trong nhiều loại pin Li-ion và hậu Li-ion cũng như các hệ thống điện hóa khác bao gồm pin nhiên liệu, bóng bán dẫn synap và điện sắc.”
các nhà nghiên cứu của Illinois, Andrew Gewirth, về hóa học; Hong Yang, kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học; và nhà nghiên cứu Ryan Stephens của Shell cũng tham gia nghiên cứu này.
