Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông quốc tế, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ đã phát triển một thiết kế mới có khả năng cải thiện rõ rệt hiệu suất của pin lithium-ion và giảm chi phí. Thiết kế này tiếp nối lịch sử đổi mới trong lĩnh vực nghiên cứu pin của Argonne trong nhiều thập kỷ, hứa hẹn sẽ tăng tốc độ phổ biến của xe điện (EV) và lưu trữ điện lưới, góp phần thực hiện mục tiêu toàn cầu về giảm carbon.
Thiết kế hai gradient
Năm 2012, các nhà nghiên cứu Argonne đã sử dụng vật liệu cực âm (cực dương) mới, nâng cao đáng kể mật độ năng lượng và độ bền của pin lithium-ion, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ pin lithium-ion. Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh các thành phần niken, mangan và coban trong các hạt cực âm để tận dụng tối đa các đặc tính có lợi của các kim loại này. Niken có khả năng tăng mật độ năng lượng, nhưng cũng làm cho bề mặt hạt trở nên hoạt tính quá mức. Trong thiết kế gradient thành phần của Argonne, nồng độ niken giảm dần từ lõi hạt đến bề mặt. Ý tưởng này nhằm tối đa hóa mật độ năng lượng khi pin hoạt động ở điện áp cao, đồng thời giảm thiểu phản ứng. Mật độ năng lượng cao giúp sản xuất các pin nhỏ hơn với chi phí thấp hơn.
Những hạt cực âm này có cấu trúc lớp điển hình của pin thương mại hiện tại, trong đó các lớp nguyên tử kim loại được sắp xếp có tổ chức tạo ra các kênh truyền lithium giữa các điện cực của pin, từ đó thúc đẩy quá trình sạc và xả pin. Thiết kế của phòng thí nghiệm Argonne đã được cấp bằng sáng chế và cấp phép cho các nhà sản xuất pin và vật liệu. Mặc dù đã đạt được thành công to lớn, nhóm nghiên cứu gần đây đã bắt đầu khám phá các phương pháp cải tiến thiết kế hơn nữa.
Ông Khalil Amine, trưởng nhóm công nghệ pin tiên tiến của Argonne cho biết: “Để xe điện có thể thay thế ô tô sử dụng xăng trên toàn cầu, pin phải hoạt động ở điện áp cao hơn để cung cấp nhiều năng lượng hơn và kéo dài quãng đường di chuyển. Đồng thời, chúng phải giữ an toàn và giảm chi phí sản xuất.” Tuy nhiên, hoạt động ở điện áp cao thường dẫn đến sự nứt vỡ của các hạt cực âm có cấu trúc lớp có tổ chức và gây ra nhiều phản ứng hơn với điện giải của pin. Điều này làm giảm nhanh chóng hiệu suất của cực âm, ảnh hưởng đến dung lượng và tuổi thọ pin, đồng thời làm tăng các vấn đề liên quan đến an toàn.
Trong nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu đã đề xuất giải pháp là thêm một yếu tố khác vào thiết kế cực âm gradient thành phần của mình. Điều này liên quan đến việc sản xuất các hạt cực âm, trong đó cấu trúc dần chuyển từ vật liệu vô tổ chức ở bề mặt sang vật liệu lớp có tổ chức ở lõi. Những hạt này vẫn giữ lại gradient nồng độ niken, mangan và coban. Sự khác biệt chủ yếu là bề mặt của chúng giàu coban, trong khi bên trong gần như không có coban.
Ý tưởng này là kết hợp các đặc điểm tối ưu của các thành phần và cấu trúc khác nhau vào một hạt duy nhất. Bề mặt của các hạt vô tổ chức có khả năng ngăn chặn sự nứt vỡ và giảm phản ứng, trong khi lõi của các hạt có tổ chức nâng cao hiệu quả vận chuyển ion. Theo cách này, cực âm khi hoạt động ở điện áp cao có hy vọng đạt được cả dung lượng cao và độ ổn định.
Trình bày siêu hạt
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một loạt các thí nghiệm X-quang, điện tử và hình ảnh để đặc trưng cho vật liệu cực âm mới trong trạng thái tĩnh và hoạt động. Những thử nghiệm này đánh giá vật liệu này ở mức cực âm, hạt và nguyên tử, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về thành phần, cấu trúc và hiệu suất của nó. Các phân tích này được thực hiện tại Nguồn photon tiên tiến của Argonne và Trung tâm Vật liệu quy mô nano, cũng như tại Nguồn sáng đồng bộ quốc gia II của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven.
Các thử nghiệm xác nhận rằng quá trình này đã sản xuất thành công các hạt cực âm có cấu trúc và gradient thành phần đã nêu. Quan trọng là các hạt duy trì sự ổn định về cấu trúc và hóa học trong quá trình hoạt động ở điện áp cao. Ông Tongchao Liu, nhà nghiên cứu hóa học tại phòng thí nghiệm Argonne cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng bề mặt của các hạt vô tổ chức là không thể phá hủy, gần như không có phản ứng hoặc biến dạng cấu trúc.”
Các hạt hai gradient này bền hơn so với thiết kế ban đầu của phòng thí nghiệm Argonne. Sau 500 lần sạc và xả, vật liệu này chỉ mất khoảng 2% dung lượng lưu trữ. Dựa trên phát hiện này, nhóm nghiên cứu kỳ vọng vật liệu này sẽ góp phần vào tuổi thọ pin dài hơn. Thiết kế này giảm tổng hàm lượng coban trong các vật liệu cực âm. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì coban là một vật liệu hiếm và đắt tiền. Các đo lường thành phần cho thấy hầu hết coban nằm ở bề mặt hạt, trong khi nồng độ coban bên trong hạt dưới 2%, thấp hơn so với mức 10-20% của thiết kế ban đầu. Ông Amine cho biết: “Chúng tôi dự định sẽ giảm hàm lượng coban xuống còn 1%, điều này sẽ góp phần nâng cao tính bền vững của pin.” Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy rằng thiết kế này có thể nâng cao khả năng chịu nhiệt của cực âm. Độ bền nhiệt rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn ở điện áp cao.
Nghiên cứu này lần đầu tiên kết hợp gradient thành phần và cấu trúc trong một hạt cực âm duy nhất. Điều này hứa hẹn mở ra hướng nghiên cứu cực âm mới, tích hợp các cấu trúc và thành phần khác nhau để nâng cao hiệu suất pin. Ông Khalil Amine cho biết: “Vật liệu đột phá này đại diện cho một cải tiến toàn diện của pin. Nó có dung lượng lưu trữ cao hơn, độ ổn định mạnh mẽ và khả năng chịu nhiệt điện áp cao, đồng thời có tuổi thọ dài hơn. Mật độ năng lượng cao của nó giúp sản xuất các pin nhỏ hơn và có chi phí thấp hơn, do đó thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi xe điện và pin lưới điện.”
