Hàng tỷ hạt nhỏ trong điện cực của pin lithium-ion có thể sạc lại có nhiệm vụ lưu trữ điện tích và đưa nó hoạt động khi cần thiết. Phim X-quang của quá trình này cho thấy các hạt hấp thụ và giải phóng các ion lithium khi sạc và xả pin. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật học máy gọi là thị giác máy tính để đào sâu hơn và phân tích từng pixel của những phim X-quang này, khám phá các chi tiết vật lý và hóa học chưa từng thấy trước đây của chu kỳ pin, một bước tiến lớn.
“Hiện nay có thể tạo ra những thước phim tia X đẹp mắt về hoạt động của các hạt nano pin, nhưng những đoạn phim này chứa nhiều thông tin đến mức việc hiểu được các chi tiết tinh tế về cách thức hoạt động của các hạt thực sự là một thách thức,” William Chueh, phó giáo sư tại Đại học Stanford, nhà khoa học khoa SLAC và giám đốc Trung tâm Pin SLAC-Stanford, người đồng chủ trì nghiên cứu với giáo sư Martin Bazant của MIT, cho biết.
" "Bây giờ chúng tôi có thể thu được những hiểu biết sâu sắc mà trước đây không thể có được", Chueh nói. Các đối tác trong ngành của chúng tôi cần thông tin dựa trên cơ sở khoa học thiết yếu này để phát triển pin tốt hơn nhanh hơn. "
Nói rộng hơn, phương pháp khám phá tính chất vật lý đằng sau các mẫu phức tạp trong hình ảnh thậm chí có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các loại hệ thống hóa học và sinh học khác, chẳng hạn như phát triển phôi, các nhà nghiên cứu cho biết. phân chia tế bào) cung cấp cái nhìn sâu sắc chưa từng có
Pin nhìn xuyên thấu tiết lộ bí mật
Nghiên cứu. Các hạt pin mà nhóm nghiên cứu được làm từ lithium sắt photphat, hay LFP, được đóng gói vào các điện cực dương của nhiều pin lithium-ion, mỗi pin được phủ một lớp carbon mỏng để cải thiện độ dẫn điện của điện cực. H70Để xem điều gì đang diễn ra bên trong pin khi pin hoạt động, nhóm của Chueh đã tạo ra các tế bào nhỏ trong suốt, trong đó hai điện cực được bao quanh bởi dung dịch điện phân chứa đầy các ion lithium chuyển động tự do
. Khi pin phóng điện, các ion lithium sẽ chảy vào điện cực dương của pin lithium-ion và bị kẹt trong các hạt nano của nó giống như một chiếc ô tô trong bãi đậu xe đông đúc. Phản ứng này được gọi là xen kẽ. Khi sạc pin, các ion lithium lại chảy ra ngoài, đến điện cực âm đối diện.
Một nhóm nghiên cứu từ SLAC, Đại học Stanford, MIT và Viện nghiên cứu Toyota đã sử dụng kỹ thuật máy học để phân loại lại pixel trên cơ sở từng pixel. Phân tích phim X-quang như phim này tiết lộ những chi tiết vật lý và hóa học mới về chu kỳ pin. Hoạt hình này dựa trên hình ảnh tia X mà nhóm thực hiện vào năm 2016, cho thấy một số trong số hàng tỷ hạt nano trong điện cực pin lithium-ion hoạt động cùng nhau như thế nào. Quá trình tích điện (đỏ sang xanh lục) và phóng điện (xanh lục sang đỏ) khi các ion chảy vào và ra và cho thấy quá trình này diễn ra không đồng đều như thế nào bên trong một hạt. Nguồn: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC
Brian Storey, giám đốc cấp cao về năng lượng và vật liệu tại Viện nghiên cứu Toyota, cho biết: "Lithium sắt photphat là vật liệu pin quan trọng vì giá thành rẻ, hiệu suất an toàn tốt và khả năng sử dụng dồi dào các nguyên tố. Chúng tôi đang thấy LFP ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thị trường xe điện vì thời điểm dành cho nghiên cứu này không thể nào tốt hơn". Work
Chueh và Bazant bắt đầu hợp tác nghiên cứu pin cách đây 8 năm. Bazant đã thực hiện mô hình toán học sâu rộng về các mô hình được hình thành bởi các ion lithium khi chúng di chuyển vào và ra khỏi các hạt LFP. Chueh đã sử dụng kính hiển vi tia X tiên tiến tại Nguồn sáng tiên tiến của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley để quay phim kích thước nano về các hạt pin đang hoạt động, với các chi tiết nhỏ tới một phần tỷ mét.
Năm 2016, nhóm nghiên cứu của họ đã công bố các bộ phim có kích thước nano mang tính đột phá cho thấy cách các ion lithium di chuyển vào và ra khỏi các hạt nano LFP riêng lẻ.
Sau đó, với sự tài trợ của Viện nghiên cứu Toyota, nhóm bắt đầu sử dụng các công cụ máy học được phát triển tại MIT để tăng tốc đáng kể quá trình kiểm tra pin và chọn lọc nhiều phương pháp sạc có thể để tìm ra phương pháp hiệu quả nhất. Họ cũng kết hợp học máy truyền thống, tìm kiếm các mẫu dữ liệu, với kiến thức thu được từ các thí nghiệm và phương trình do vật lý hướng dẫn để khám phá và giải thích các quá trình rút ngắn tuổi thọ của pin lithium-ion sạc nhanh.
Phân tích từng pixel
Trong nghiên cứu mới nhất này, Chueh và B Azant đã sử dụng thị giác máy tính, một lĩnh vực con của học máy, để khai thác thông tin chi tiết hơn từ 62 bộ phim X-quang kích thước nano mà họ quay vào năm 2016 sạc hoặc xả các hạt pin lithium-ion. Mỗi hình ảnh tĩnh trong những bộ phim này chứa khoảng 490 pixel - đơn vị thông tin nhỏ nhất có thể thu được từ một hình ảnh, cho dù đó là máy dò được chụp bằng tia X hay ánh sáng nhìn thấy được chụp bằng camera của điện thoại thông minh. Điều này cung cấp cho họ khoảng 180.000 pixel thông tin.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 180.000 pixel này để huấn luyện mô hình tính toán của họ nhằm tạo ra các phương trình mô tả chính xác cách diễn ra phản ứng chèn lithium. Họ phát hiện ra rằng chuyển động của các ion trong các hạt LFP rất phù hợp với dự đoán mô phỏng máy tính của Bazant.
Bazant cho biết: "Mỗi pixel nhỏ bên trong đang chuyển từ đầy sang trống, đầy sang trống. Chúng tôi đang lập bản đồ toàn bộ quá trình, sử dụng các phương trình của mình để hiểu điều này xảy ra như thế nào."TAG PH20
"Công nghệ mới tiết lộ một số hiện tượng chưa từng thấy trước đây, bao gồm cả những thay đổi về tốc độ phản ứng chèn lithium ở các vùng khác nhau của một hạt nano LFP đơn lẻ." Bazant cho biết: “Một số khu vực dường như phản ứng rất nhanh, những khu vực khác lại phản ứng rất chậm”.
Phát hiện thực tế quan trọng nhất của bài báo là những thay đổi về độ dày lớp phủ carbon của các hạt LFP trực tiếp kiểm soát tốc độ vào và ra của các ion lithium, điều này có thể dẫn đến việc sạc và xả hiệu quả hơn.
Các nhà khoa học rút ra bài học từ nghiên cứu này rằng yếu tố kiểm soát quá trình hoạt động của pin chính là giao diện giữa chất điện phân lỏng và vật liệu điện cực rắn - nơi các phản ứng xen kẽ và sự thay đổi độ dày của lớp phủ cacbon dạng hạt tương tác theo những cách phức tạp. Điều này có nghĩa là bước tiếp theo thực sự phải là thiết kế giao diện.
Toyota Research Institute's Storey cho biết thêm: "Việc xuất bản bài báo này là đỉnh cao của sáu năm làm việc chăm chỉ và hợp tác. Công nghệ này cho phép chúng tôi khám phá hoạt động bên trong của pin theo cách chưa từng có trước đây. Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là cải thiện thiết kế pin bằng cách áp dụng hiểu biết mới này."