Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã quan sát được cách các ion lithium di chuyển qua các bề mặt tiếp xúc của pin, điều này có thể giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế của vật liệu. Các nhà nghiên cứu từ MIT, Đại học Stanford, Máy gia tốc quốc gia SLAC và Viện nghiên cứu Toyota đã đạt được tiến bộ đột phá trong việc tìm hiểu lithium iron phosphate, một vật liệu pin quan trọng. Sử dụng phân tích hình ảnh tia X tiên tiến, họ phát hiện ra rằng những thay đổi về hiệu suất của vật liệu có liên quan đến độ dày của lớp phủ carbon. Khám phá này có thể cải thiện hiệu suất của pin.

Một nhóm nghiên cứu từ MIT, Đại học Stanford, Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC và Viện nghiên cứu Toyota đã sử dụng công nghệ học máy để phân tích lại hình ảnh tia X của các ion lithium di chuyển vào và ra khỏi các hạt nano điện cực của pin (trái) trong quá trình hoạt động của pin. Màu sắc sai lệch trong hình ảnh này cho thấy trạng thái điện tích của từng hạt và bộc lộ các quá trình không đồng nhất bên trong từng hạt riêng lẻ. Tín dụng hình ảnh: Cube3D

Bằng cách khai thác dữ liệu hình ảnh tia X, các nhà nghiên cứu tại MIT, Đại học Stanford, Máy gia tốc quốc gia SLAC và Viện nghiên cứu Toyota đã có những khám phá mới quan trọng về khả năng phản ứng của lithium iron phosphate, một vật liệu được sử dụng trong pin xe điện và các loại pin sạc khác.

Công nghệ mới tiết lộ một số hiện tượng chưa từng thấy trước đây, bao gồm những thay đổi về tốc độ phản ứng xen kẽ lithium ở các vùng khác nhau của hạt nano lithium iron phosphate.

Phát hiện thực tế quan trọng nhất của bài báo là những thay đổi về tốc độ phản ứng này có liên quan đến sự khác biệt về độ dày của lớp phủ carbon trên bề mặt hạt, điều này có thể cải thiện hiệu suất sạc và xả của loại pin này.

Bằng cách khai thác hình ảnh tia X, các nhà nghiên cứu của MIT đã có một khám phá mới quan trọng về khả năng phản ứng của lithium iron phosphate, một vật liệu được sử dụng trong pin ô tô điện và các loại pin sạc khác. Trong mỗi cặp hạt trong hình, hạt thực tế ở bên trái và hạt mô phỏng của các nhà nghiên cứu ở bên phải. Nguồn hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu

Kỹ thuật giao diện

" Điều chúng tôi học được từ nghiên cứu này là việc thực sự kiểm soát năng lượng pin. Đó là về các giao diện, đặc biệt là trong các loại pin hiện đại ngày nay được làm từ các hạt nano của vật liệu hoạt động", Martin Bazant, người tham gia nghiên cứu cho biết tác giả cao cấp và E.G. Roos về Kỹ thuật Hóa học và Giáo sư Toán học tại MIT.

Phương pháp khám phá tính chất vật lý đằng sau các mẫu phức tạp trong hình ảnh này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu nhiều vật liệu khác, không chỉ bao gồm các loại tế bào khác mà còn cả các hệ thống sinh học như tế bào đang phân chia của phôi đang phát triển.

Bazant nói: "Tôi nghĩ điều thú vị nhất về công việc này là chúng tôi có thể chụp ảnh một hệ thống đang hình thành một khuôn mẫu và tìm hiểu các nguyên tắc chi phối khuôn mẫu đó."

T AGPH75Cộng tác Nghiên cứu

Tiến sĩ Hongbo Zhao, cựu sinh viên tốt nghiệp tại MIT và hiện là postdoc tại Đại học Princeton, là tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới. Các tác giả khác bao gồm Richard Bratz, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Edwin R. Gilliland tại MIT, William Chueh, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Stanford và giám đốc Trung tâm Pin SLAC-Stanford, và Brian Storey, giám đốc cấp cao về năng lượng và vật liệu tại Viện Nghiên cứu Toyota.

Chueh cho biết: "Cho đến nay, chúng tôi đã có thể tạo ra những đoạn phim X-quang tuyệt đẹp về các hạt nano pin tại nơi làm việc, nhưng việc đo và hiểu các chi tiết tinh tế về cách chúng hoạt động rất khó khăn vì phim chứa rất nhiều thông tin. Bằng cách thực hiện việc học hình ảnh trên các phim có kích thước nano này, chúng tôi có thể thu được những hiểu biết sâu sắc mà trước đây không thể có được "

Mô hình tốc độ phản ứng

Các điện cực của pin lithium iron phosphate bao gồm nhiều hạt lithium iron phosphate nhỏ được bao quanh bởi dung dịch điện phân. Các hạt điển hình có đường kính khoảng 1 micron và dày khoảng 100 nanomet. Khi pin phóng điện, các ion lithium chảy từ dung dịch điện phân vào vật liệu thông qua phản ứng điện hóa gọi là sự xen kẽ ion. Khi pin được sạc, phản ứng xen kẽ sẽ bị đảo ngược và các ion sẽ chảy theo hướng ngược lại.

"Lithium iron phosphate (LFP) là vật liệu pin quan trọng vì chi phí thấp, đặc tính an toàn tốt và sử dụng nhiều nguyên tố", Storey cho biết. “Chúng tôi nhận thấy việc sử dụng lithium iron phosphate ngày càng tăng trên thị trường xe điện, vì vậy thời điểm của nghiên cứu này không thể tốt hơn”.

Trước nghiên cứu này, Bazant đã thực hiện mô hình hóa lý thuyết sâu rộng về các phương thức hình thành xen kẽ ion lithium. Liti sắt photphat thích tồn tại ở một trong hai pha ổn định: pha đầy hoặc pha rỗng. Từ năm 2005, Bazant đã nghiên cứu các mô hình toán học của hiện tượng này, được gọi là sự tách pha, được thúc đẩy bởi các phản ứng xen kẽ tạo ra các kiểu dòng ion lithium độc đáo. Vào năm 2015, khi đang nghỉ phép ở Stanford, anh bắt đầu làm việc với Chueh để cố gắng giải thích hình ảnh của các hạt lithium iron phosphate thông qua kính hiển vi tia X quét xuyên hầm.

Sử dụng kính hiển vi này, các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh hiển thị, từng pixel, nồng độ của các ion lithium tại mọi điểm trong hạt. Họ có thể quét hạt nhiều lần khi nó tích điện hoặc phóng điện, tạo ra một đoạn phim về cách các ion lithium di chuyển vào và ra khỏi hạt.

Năm 2017, Bazant và các đồng nghiệp tại SLAC đã nhận được tài trợ từ Viện Nghiên cứu Toyota để tiến hành nghiên cứu sâu hơn bằng cách sử dụng phương pháp này, cùng với các dự án nghiên cứu khác liên quan đến pin.

Thông tin chi tiết và phát hiện

Bằng cách phân tích hình ảnh tia X của 63 hạt lithium iron phosphate khi chúng được tích điện và phóng điện, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng chuyển động của các ion lithium bên trong vật liệu gần như giống hệt với các mô phỏng máy tính trước đây do Bazant tạo ra. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tất cả 180.000 pixel làm dữ liệu đo lường để huấn luyện các mô hình tính toán nhằm tạo ra các phương trình mô tả chính xác nhiệt động lực học không cân bằng và động học phản ứng của vật liệu pin.

"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", Bazant nói.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng kiểu dòng ion lithium mà họ quan sát được có thể tiết lộ sự thay đổi không gian về tốc độ hấp thụ các ion lithium tại mỗi vị trí trên bề mặt hạt.

Bazant cho biết: "Chúng tôi thực sự ngạc nhiên khi có thể nhìn vào hình ảnh để hiểu được tính không đồng nhất trong hệ thống - trong trường hợp này là những thay đổi về tốc độ phản ứng bề mặt. Một số khu vực dường như phản ứng rất nhanh và một số khu vực dường như phản ứng rất chậm."

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những khác biệt về tốc độ phản ứng này có liên quan đến độ dày của lớp phủ cacbon trên bề mặt của các hạt lithium sắt photphat. Lớp phủ carbon trên lithium iron phosphate giúp nó dẫn điện - nếu không, vật liệu này sẽ dẫn điện quá chậm để có thể sử dụng làm pin.

Ở cấp độ nano, những thay đổi về độ dày lớp phủ carbon trực tiếp kiểm soát độ dẫn điện, một điều sẽ không bao giờ được phát hiện nếu không có những phân tích hình ảnh và mô hình hóa này. Các phát hiện này cũng cung cấp sự hỗ trợ về mặt định lượng cho một giả thuyết do Bazant đề xuất vài năm trước: rằng hiệu suất của điện cực lithium sắt photphat chủ yếu bị hạn chế bởi tốc độ truyền ion-electron kết hợp tại bề mặt phân cách giữa các hạt rắn và lớp phủ cacbon, thay vì tốc độ khuếch tán ion lithium trong chất rắn.

Tối ưu hóa vật liệu

Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng việc tối ưu hóa độ dày của lớp carbon trên bề mặt điện cực có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế pin hoạt động hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu cho biết.

Đây là nghiên cứu đầu tiên có thể liên kết trực tiếp các đặc tính của vật liệu pin với các đặc tính vật lý của lớp phủ. Trọng tâm của việc tối ưu hóa và thiết kế pin là kiểm soát động học phản ứng ở bề mặt chất điện phân và điện cực.

Storey cho biết: "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 được thực hiện trước đây. Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là Áp dụng hiểu biết mới này để cải thiện thiết kế pin. "

Ngoài việc sử dụng phương pháp phân tích này trên các vật liệu pin khác, Bazant dự đoán rằng nó có thể được sử dụng để nghiên cứu sự hình thành mô hình trong các hệ thống hóa học và sinh học khác.