Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị, bao gồm điện thoại di động, máy tính xách tay và ô tô điện. Theo thông tin từ truyền thông nước ngoài, nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã nghiên cứu về điện phân rắn của pin thể rắn. Những kết quả nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển công nghệ pin an toàn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
(Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm Argonne)
Điện phân đóng vai trò như một màng, cho phép các ion lithium truyền giữa cực âm và cực dương của pin. Khác với các pin lithium-ion truyền thống sử dụng điện phân lỏng, pin thể rắn sử dụng điện phân rắn. Những vật liệu này không dễ bay hơi và không dễ cháy, giúp phát triển pin có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài hơn và an toàn hơn. Tính phản ứng của điện phân rắn với lithium kim loại cũng thấp hơn, do đó phù hợp hơn cho cực kim loại lithium so với điện phân lỏng. So với vật liệu cực graphite truyền thống, mật độ năng lượng của lithium kim loại cao hơn vì tất cả các nguyên tử trong lithium kim loại có thể tham gia vào chu kỳ sạc và xả.
Là một trong những điện phân rắn đầy triển vọng, lithium lanthanum zirconium oxit (LLZO) có độ ổn định, độ bền và độ dẫn ion cao, giúp thực hiện việc truyền ion lithium hiệu quả giữa các cực. Để cải thiện hiệu suất của LLZO, các nhà nghiên cứu đã cố gắng bổ sung một lượng nhỏ nguyên tố như nhôm hoặc gallium để tăng cường khả năng dẫn ion lithium của LLZO. Quá trình này được gọi là doping, trong đó có sự tham gia của một nguyên tố khác để thay đổi tính chất của vật liệu. Doping nhôm hoặc gallium giúp LLZO duy trì cấu trúc đối xứng tối ưu và tạo ra khoảng trống có lợi cho sự di chuyển của ion lithium, từ đó nâng cao tính dẫn điện. Tuy nhiên, hành vi doping này cũng làm tăng tính phản ứng của LLZO với kim loại lithium, làm giảm tuổi thọ chu kỳ của pin.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra điều gì xảy ra khi LLZO được doping bằng nhôm hoặc gallium tiếp xúc với kim loại lithium. Họ đã sử dụng công nghệ tính toán và thực nghiệm để phát hiện rằng gallium thường dễ dàng thoát khỏi điện phân hơn, dễ dàng phản ứng với lithium để tạo thành hợp kim, dẫn đến sự giảm hàm lượng gallium trong LLZO. Điều này sẽ thay đổi cấu trúc của lithium garnet và giảm độ dẫn ion. Ngược lại, LLZO được doping bằng nhôm có khả năng duy trì trạng thái ổn định hơn.
Độ dẫn ion của LLZO doping gallium cao hơn so với LLZO doping nhôm. Nhưng tính phản ứng của nó khi tiếp xúc với lithium cho thấy cần có một lớp giao diện để duy trì độ dẫn điện, đồng thời ngăn ngừa sự xuống cấp.
Nhà nghiên cứu chính của Phòng thí nghiệm Argonne, nhà vật lý Peter Zapol cho biết: “Những phát hiện này làm sâu sắc hiểu biết về cách các chất doping khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của LLZO, cung cấp tham khảo cho việc phát triển pin thể rắn đáng tin cậy hơn. Việc hiểu cách các chất doping phản ứng với lithium rất quan trọng, ngoài tính dẫn điện cao, đây là một yêu cầu khác để đạt được điện phân tốt.”
Nhà hóa học Sanja Tepavcevic, kỹ sư chính tại Phòng thí nghiệm Argonne, cho biết: “Nếu chất doping không ổn định, thì không đủ để tăng cường tính dẫn điện. Nếu có thể tách rời tính phản ứng và độ dẫn điện, hoặc phát triển một loại vật liệu vừa có tính dẫn điện cao vừa có độ ổn định, thì đây chính là điều mà chúng tôi cố gắng trình bày qua công việc này.”
