Chất điện phân mới giúp pin lithium kim loại kéo dài tuổi thọ, tăng cao hiệu năng sử dụng
07/08/2020
KH&CN nước ngoài
Các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley phối hợp với Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) đã tìm ra chất điện phân mới giúp tạo ra pin lithium kim loại có hiệu năng cao, tuổi thọ dài, và an toàn hơn.
Pin lithium kim loại có cực dương bằng lithium kim loại và cực âm bằng graphite (than chì), có thể cho phép xe điện đi được hàng trăm dặm mỗi lần sạc. Tuy nhiên, sự hình thành các sợi dendrites trên cực dương lithium trong quá trình sạc/xả sẽ khiến tuổi thọ của pin giảm và dễ gây cháy nổ.
Dendrite là loại sợi dẫn điện mỏng, sinh ra trên bề mặt cực dương trong quá trình sạc/xả. Các sợi này sẽ ngày càng dài, khi lithium liên tục lắng đọng. Chúng phá hủy các luồng dẫn điện tích, tạo ra các luồng lộn xộn trong cấu trúc pin. Khi sợi dendrite dài đâm xuyên qua lớp điện phân và nối trực tiếp với cực âm thì pin sẽ bị đoản mạch.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu cho rằng các chất điện phân ở dạng rắn (chẳng hạn như từ gốm) sẽ ngăn chặn việc hình thành các sợi dendrites tốt hơn. Tuy nhiên, chúng lại không ngăn được sự "tạo mầm" của các sợi ngay tại thời điểm ban đầu. Brett A. Helms và các cộng sự của ông đã chế tạo ra một chất điện phân mới từ polyme và gốm sứ, có thể ức chế dendrites trong giai đoạn “tạo mầm” sớm, trước khi chúng có thể lan tràn và làm cho pin bị hỏng.
Họ sử dụng PIMs (Polymers of intrinsic microporosity) có các lỗ lấp đầy hạt gốm nano để tạo ra một lớp điện phân ở thể rắn nhưng mềm, dẻo. Các nhà sản xuất pin có thể sản xuất các cuộn lá lithium với một lớp mỏng chất điện phân giữa cực dương và vách ngăn của pin. Sử dụng LESAs (lithium-electrode sub-assemblies) thay cho cực dương than chì thông thường, các nhà sản xuất pin vẫn có thể sử dụng dây chuyền lắp ráp hiện hữu của họ.
Tại phòng thí nghiệm Berkeley Lab's Advanced Light Source, nhóm Helms đã sử dụng tia X tạo ra hình ảnh 3-D để mô tả quá trình sạc/xả pin khi sử dụng chất điện phân mới trong 16 giờ. Kết quả cho thấy sự tăng trưởng liên tục của lithium khi chất điện phân hỗn hợp PIM mới xuất hiện, và không có dấu hiệu về sự hình thành sợi dendrites giai đoạn đầu.
Pin kim loại lithium được sản xuất với chất điện phân mới có thể dùng để cung cấp năng lượng cho xe điện, máy bay điện….Công nghệ ngăn chặn hình thành sợi dendrite có thể giúp phát triển các ý tưởng mới để lắp ráp và phát triển các vật liệu và thiết bị dùng cho pin dạng rắn trong tương lai.
Kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Nature Materials
Diệu Huyền (CESTI) - Theo Techxplore.com