Các nhà nghiên cứu đang khám phá việc sử dụng kim loại lithium làm điện cực âm trong pin để tăng mật độ năng lượng, nhưng pha điện phân rắn tự nhiên (SEI) phải đối mặt với thách thức về độ giòn và giảm hiệu suất. Họ đang nghiên cứu các lớp SEI nhân tạo (ASEI), bao gồm các loại lai polyme và vô cơ-hữu cơ, để cải thiện tính ổn định và chức năng, giải quyết các vấn đề như sự phát triển dendrite và độ bám dính của lớp, đồng thời mở đường cho việc sản xuất pin kim loại lithium hiệu quả hơn và an toàn hơn.
Kim loại lithium được chọn làm cực dương của pin vì mật độ năng lượng vượt trội so với các vật liệu khác, khiến nó trở thành một lựa chọn sáng suốt. Tuy nhiên, có những thách thức ở bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân, tạo cơ hội cho những cải tiến nhằm đạt được hiệu suất an toàn và hiệu quả hơn trong các ứng dụng trong tương lai.
Thách thức và giải pháp của cực dương lithium kim loại
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tsinghua ban đầu quan tâm đến việc thay thế cực dương than chì bằng cực dương lithium kim loại để chế tạo hệ thống pin có mật độ năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, kim loại lithium không ổn định và dễ phản ứng với chất điện phân tạo thành pha rắn-điện phân (SEI). Thật không may, SEI tự nhiên vừa giòn vừa giòn, dẫn đến tuổi thọ và hiệu suất kém.
Tại đây, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một giải pháp thay thế cho SEI tự nhiên có thể giảm thiểu hiệu quả các phản ứng phụ trong hệ thống pin. Câu trả lời là ASEI: Pha điện phân rắn nhân tạo. ASEI khắc phục một số vấn đề xảy ra với cực dương kim loại lithium trần, làm cho chúng trở thành nguồn năng lượng an toàn hơn, đáng tin cậy hơn và thậm chí mạnh hơn để có thể được sử dụng với độ tin cậy cao hơn trong xe điện và các ứng dụng tương tự khác.
Công bố và ý nghĩa của kết quả nghiên cứu
Ngày 25 tháng 9, các nhà nghiên cứu đã công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí "Vật liệu và Thiết bị Năng lượng".
Công nghệ pin đang thay đổi hoàn toàn lối sống của chúng ta và liên quan mật thiết đến cuộc sống của mọi người. Để đạt được một nền kinh tế thực sự không có carbon, cần có pin hoạt động tốt hơn để thay thế pin lithium-ion hiện tại.
Pin kim loại lithium (LMB) là một trong những loại pin ứng cử viên như vậy. Tuy nhiên, cực dương (kim loại lithium) phản ứng với chất điện phân và một lớp thụ động, tức là xen kẽ chất điện phân rắn, được hình thành trên bề mặt kim loại lithium trong quá trình hoạt động của pin. Một vấn đề khác với cực dương kim loại lithium là hiện tượng "tăng trưởng dendrite" xảy ra khi pin được sạc. Các sợi nhánh, trông giống như các cấu trúc giống cây, có thể gây hư hỏng bên trong pin, làm thủng dải phân cách và gây đoản mạch, hiệu suất kém và tiềm ẩn các mối nguy hiểm về an toàn. Những điểm yếu này làm giảm tính hữu dụng của các tấm kim loại lithium và đặt ra những thách thức cần giải quyết.
Chiến lược cải thiện cực dương kim loại lithium
Phần trên mô tả một số chiến lược có thể được sử dụng để tạo ra cực dương kim loại lithium hiệu quả hơn và an toàn hơn. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng để cải thiện cực dương kim loại lithium, cần phải phân bổ đều các ion lithium, giúp giảm cặn lắng ở các vùng tích điện âm của pin.
Điều này lần lượt làm giảm sự hình thành dendrite, do đó ngăn ngừa sự phân hủy sớm và đoản mạch. Ngoài ra, trong khi đảm bảo cách điện của từng lớp, nó còn cung cấp đường khuếch tán ion lithium thuận tiện hơn, giúp duy trì tính toàn vẹn vật lý và hóa học của cấu trúc trong quá trình hoạt động của pin. Quan trọng nhất, việc giảm sức căng giữa giao diện điện cực và chất điện phân đảm bảo kết nối thích hợp giữa các lớp, đây là một phần quan trọng trong chức năng của pin.
Hướng đi tiềm năng và tương lai của lớp ASEI
Các chiến lược dường như có tiềm năng nhất là các lớp ASEI polyme và các lớp ASEI lai vô cơ-hữu cơ. Lớp polymer được thiết kế để có thể điều chỉnh vừa đủ, có thể điều chỉnh cả độ bền và độ đàn hồi một cách dễ dàng. Lớp polymer cũng có các nhóm chức năng tương tự như chất điện phân, khiến nó có tính tương thích cao; khả năng tương thích này là một trong những khía cạnh chính mà các thành phần khác thiếu. Ưu điểm lớn nhất của lớp lai vô cơ-hữu cơ là làm giảm độ dày lớp và cải thiện đáng kể sự phân bố các thành phần bên trong lớp, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của pin.
Tương lai của lớp ASEI rất tươi sáng nhưng nó cũng cần một số cải tiến. Các nhà nghiên cứu chủ yếu hy vọng cải thiện độ bám dính của lớp ASEI với bề mặt kim loại, từ đó cải thiện tổng thể chức năng và tuổi thọ của pin. Các khía cạnh khác cần chú ý là: tính ổn định của cấu trúc và thành phần hóa học bên trong lớp và giảm thiểu độ dày của lớp để tăng mật độ năng lượng của điện cực kim loại. Một khi những vấn đề này được giải quyết, tương lai của pin kim loại lithium cải tiến sẽ rất tươi sáng.
Tìm hiểu thêm:
https://doi.org/10.26599/EMD.2023.9370005