"Cha đẻ" của pin Lithium-Ion giúp giải quyết vấn đề dai dẳng suốt 40 năm với phát minh của ông

Vào cuối những năm 1970, M. Stanley Whittingham là người đầu tiên mô tả khái niệm về pin lithium-ion có thể sạc lại, một thành tựu mà ông sẽ nhận được giải Nobel Hóa học 2019. Tuy nhiên, ngay cả ông cũng không thể lường trước được những thách thức phức tạp trong khoa học vật liệu sẽ nảy sinh khi những viên pin này được cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử di động trên thế giới.

Một vấn đề kỹ thuật dai dẳng là mỗi khi lắp pin lithium-ion mới vào thiết bị, khoảng 1/5 dung lượng năng lượng của nó sẽ bị mất trước khi thiết bị có thể được sạc lại lần đầu tiên. Điều đó đúng cho dù pin được lắp vào máy tính xách tay, máy ảnh, đồng hồ đeo tay hay thậm chí trong một chiếc xe điện mới.

Nguyên nhân là do các tạp chất hình thành trên cực âm giàu niken – cực dương (+) của pin, qua đó năng lượng tích trữ của nó được xả ra ngoài.

Để tìm cách duy trì công suất đã mất, Whittingham đã lãnh đạo một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm các đồng nghiệp của ông từ Đại học Bang New York tại Binghamton (SUNY Binghamton) và các nhà khoa học tại Brookhaven (BNL) và Oak Ridge của Bộ Năng lượng (DOE’s) Brookhaven (BNL) và Oak Ridge. Phòng thí nghiệm Quốc gia (ORNL). Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia X và neutron để kiểm tra xem việc xử lý vật liệu catốt hàng đầu — vật liệu niken-mangan-coban phân lớp có tên là NMC 811 — với oxit niobi không chứa lithium có dẫn đến pin lâu hơn không.

Kết quả của nghiên cứu, “Vai trò của Nb trong các catốt oxit phân lớp giàu niken đối với pin Lithium-Ion là gì?” xuất hiện trong ACS Energy Letters .

Whittingham cho biết: “Chúng tôi đã thử nghiệm NMC 811 trên vật liệu cathode oxit nhiều lớp sau khi dự đoán oxit niobi không chứa lithium sẽ tạo thành một lớp phủ lithium niobium oxit kích thước nano trên bề mặt dẫn các ion lithium và cho phép chúng thâm nhập vào vật liệu cathode,” Whittingham cho biết. một giáo sư ưu tú của SUNY và là giám đốc của Trung tâm Lưu trữ Năng lượng Hóa học Đông Bắc (NECCES), một Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng DOE do SUNY Binghamton lãnh đạo.

Pin Lithium có cực âm được làm bằng các lớp xen kẽ của vật liệu oxit giàu niken và liti (hợp chất hóa học chứa ít nhất một nguyên tử oxy), bởi vì niken tương đối rẻ và giúp cung cấp mật độ năng lượng cao hơn và khả năng lưu trữ lớn hơn với chi phí thấp hơn các kim loại khác.

Nhưng niken trong catốt tương đối không ổn định và do đó phản ứng dễ dàng với các nguyên tố khác, khiến bề mặt catốt bị bao phủ bởi các tạp chất không mong muốn làm giảm dung lượng lưu trữ của pin 10-18% trong chu kỳ sạc-xả đầu tiên của nó. Niken cũng có thể gây ra sự mất ổn định bên trong cấu trúc catốt, làm giảm thêm dung lượng lưu trữ trong thời gian sạc và xả kéo dài.

Để hiểu niobi ảnh hưởng như thế nào đến vật liệu cathode giàu niken, các nhà khoa học đã thực hiện các nghiên cứu nhiễu xạ bột neutron tại máy đo nhiễu xạ vật liệu kỹ thuật VULCAN tại ORNL’s Spallation Neutron Source (SNS). Họ đo các mẫu nhiễu xạ nơtron của các mẫu NMC 811 tinh khiết và các mẫu được biến đổi niobi.

Hui Zhou, giám đốc cơ sở sản xuất pin tại NECCES cho biết: “Các neutron dễ dàng xuyên qua vật liệu catốt để tiết lộ vị trí của các nguyên tử niobi và lithium, giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của quá trình sửa đổi niobi. “Dữ liệu tán xạ neutron cho thấy các nguyên tử niobi ổn định bề mặt để giảm tổn thất chu kỳ đầu tiên, trong khi ở nhiệt độ cao hơn, các nguyên tử niobi di chuyển một số nguyên tử mangan sâu hơn bên trong vật liệu catốt để cải thiện khả năng duy trì dung lượng lâu dài.”

Kết quả của thử nghiệm cho thấy giảm tổn thất công suất chu kỳ đầu tiên và cải thiện khả năng duy trì công suất lâu dài hơn 93 phần trăm trong hơn 250 chu kỳ sạc-xả.

Whittingham cho biết: “Những cải tiến về hiệu suất điện hóa và độ ổn định cấu trúc khiến NMC 811 được cải tiến bằng niobi trở thành một ứng cử viên làm vật liệu cực âm để sử dụng trong các ứng dụng có mật độ năng lượng cao hơn, chẳng hạn như xe điện,” Whittingham nói. “Kết hợp một lớp phủ niobi với sự thay thế các nguyên tử niobi cho các nguyên tử mangan có thể là một cách tốt hơn để tăng cả công suất ban đầu và khả năng duy trì công suất lâu dài. Những sửa đổi này có thể dễ dàng mở rộng quy mô bằng cách sử dụng quy trình sản xuất nhiều bước hiện tại cho vật liệu NMC. ”

Whittingham nói thêm rằng nghiên cứu hỗ trợ các mục tiêu của Battery500 Consortium , một chương trình đa tổ chức do Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của DOE cho Văn phòng Năng lượng Tái tạo và Hiệu quả Năng lượng DOE dẫn đầu. Chương trình đang làm việc để phát triển các tế bào pin lithium-kim loại thế hệ tiếp theo cung cấp tới 500 watt giờ cho mỗi kg so với mức trung bình hiện tại là khoảng 220 watt giờ cho mỗi kg.

Tham khảo: “Vai trò của Nb trong các catốt oxit phân lớp giàu niken đối với pin Lithium-Ion là gì?” bởi Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai, Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis FJ Piper, Guangwen Zhou và M. Stanley Whittingham , Ngày 18 tháng 3 năm 2021, ACS Energy Letters .
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00190

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo DOE, Văn phòng Công nghệ Xe cộ và sử dụng các nguồn tài nguyên tại Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II của BNL (NSLS-II) và tại Nguồn Spallation Neutron của ORNL.

SNS và NSLS-II là các cơ sở sử dụng của DOE Office of Science. UT-Battelle LLC quản lý ORNL cho Văn phòng Khoa học DOE. Văn phòng Khoa học là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta.

Theo Scitechdaily