Bước đột phá tạo ra toàn bộ pin thể rắn một bước tiến gần hơn để trở thành cường quốc thế hệ tiếp theo

Các nhà khoa học giảm điện trở của pin toàn thể rắn bằng cách sưởi ấm

Pin thể rắn hoàn toàn hiện đang tiến một bước gần hơn đến việc trở thành cường quốc của thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo khi các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech, AIST và Đại học Yamagata đưa ra chiến lược khôi phục điện trở thấp của chúng. Họ cũng khám phá cơ chế giảm cơ bản, mở đường cho sự hiểu biết cơ bản hơn về hoạt động của pin lithium thể rắn hoàn toàn.

Pin lithium thể rắn hoàn toàn đã trở thành cơn sốt mới trong khoa học và kỹ thuật vật liệu vì pin lithium-ion thông thường không còn đáp ứng được các tiêu chuẩn cho các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như xe điện, đòi hỏi mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và chu kỳ dài. cuộc sống. Pin thể rắn hoàn toàn, sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng có trong pin truyền thống, không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn này mà còn tương đối an toàn và thuận tiện hơn vì chúng có khả năng sạc trong thời gian ngắn.

Tuy nhiên, chất điện ly rắn đi kèm với thách thức riêng của nó. Nó chỉ ra rằng mặt phân cách giữa điện cực dương và chất điện phân rắn cho thấy một điện trở lớn mà nguồn gốc của nó không được hiểu rõ. Hơn nữa, điện trở tăng khi bề mặt điện cực tiếp xúc với không khí, làm suy giảm dung lượng và hiệu suất của pin. Mặc dù một số nỗ lực đã được thực hiện để giảm điện trở, nhưng không ai có thể hạ nó xuống 10 Ω cm ² (ohm cm-bình phương), giá trị điện trở giao diện được báo cáo khi không tiếp xúc với không khí.

Bây giờ, trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên ACS Applied Materials & Interfaces , một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Taro Hitosugi dẫn đầu từ Học viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), Nhật Bản và Shigeru Kobayashi, một nghiên cứu sinh tại Tokyo Tech, cuối cùng có thể đã giải quyết được vấn đề vấn đề này. Bằng cách thiết lập một chiến lược để khôi phục điện trở giao diện thấp cũng như làm sáng tỏ cơ chế bên dưới sự giảm thiểu này, nhóm đã cung cấp những hiểu biết có giá trị về việc sản xuất pin thể rắn toàn phần hiệu suất cao. Nghiên cứu là kết quả của cuộc nghiên cứu chung của Tokyo Tech, Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) và Đại học Yamagata.

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị pin màng mỏng bao gồm một điện cực âm lithium, một điện cực dương _{LiCoO 2} và một chất điện phân rắn _{Li 3} PO _4. Trước khi hoàn thành việc chế tạo pin, nhóm nghiên cứu đã cho _{bề mặt LiCoO 2} tiếp xúc với không khí, nitơ (N ₂ ), oxy (O ₂ ), carbon dioxide (CO ₂ ), hydro (H ₂ ) và hơi nước (H ₂ O ) 30 phút.

Trước sự ngạc nhiên của họ, họ phát hiện ra rằng việc tiếp xúc với N ₂ , O ₂ , CO ₂ và H ₂ , không làm giảm hiệu suất của pin so với pin không tiếp xúc. Giáo sư Hitosugi cho biết: “Chỉ _{hơi H 2} O làm suy giảm mạnh mẽ _{giao diện Li 3} PO ₄ – LiCoO ₂ và làm tăng đáng kể điện trở của nó lên một giá trị cao hơn 10 lần so với giá trị của giao diện không phơi sáng.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu thực hiện một quy trình gọi là “ủ”, trong đó mẫu được xử lý nhiệt ở 150 ^° C trong một giờ ở dạng pin, tức là với điện cực âm được lắng đọng. Thật đáng kinh ngạc, điều này làm giảm điện trở xuống 10,3 Ω cm ² , tương đương với pin không phơi sáng!

Bằng cách thực hiện các mô phỏng số và các phép đo tiên tiến, nhóm nghiên cứu sau đó đã tiết lộ rằng sự giảm sút này có thể là do sự loại bỏ tự phát của các proton từ bên trong _{cấu trúc LiCoO 2} trong quá trình ủ.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các proton trong _{cấu trúc LiCoO 2} đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phục hồi. Chúng tôi hy vọng rằng việc làm sáng tỏ các quy trình hiển vi giao diện này sẽ giúp mở rộng tiềm năng ứng dụng của pin toàn trạng thái rắn, ”GS Hitosugi kết luận.

Tham khảo: “Giảm mạnh điện trở giao diện điện cực-điện cực rắn thông qua ủ ở dạng pin” ngày 7 tháng 1 năm 2022, Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS .
DOI: 10.1021 / acsami.1c17945

Theo Scitechdaily