Disordered Rock Salt Battery Anodes 777x437 1 2
Thông tin công nghệ

Một người anh em họ của muối ăn có thể làm cho pin sạc nhanh hơn và an toàn hơn

Sự phân tán nơtron được sử dụng để nghiên cứu một loại muối đá rối loạn có thể được sử dụng để tạo ra các cực dương của pin sạc nhanh hơn và an toàn hơn. Tín dụng: ORNL / Jill Hemman

Một trong những yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến việc người tiêu dùng sử dụng xe điện (EV) là lượng thời gian cần thiết để sạc lại xe — thường được cung cấp bởi pin lithium-ion. Có thể mất đến vài giờ hoặc qua đêm để sạc đầy EVs, tùy thuộc vào phương pháp sạc và lượng sạc còn lại trong pin. Điều này buộc người lái xe hạn chế đi xa khỏi bộ sạc tại nhà của họ hoặc phải xác định vị trí và chờ đợi tại các trạm sạc công cộng trong những chuyến đi dài hơn.

Tại sao lại mất quá nhiều thời gian để sạc đầy pin, ngay cả những pin được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ hơn, chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính xách tay? Lý do chính là các thiết bị và bộ sạc của chúng được thiết kế để pin lithium-ion có thể sạc lại chỉ sạc ở tốc độ chậm hơn, có kiểm soát. Đây là một tính năng an toàn giúp ngăn ngừa hỏa hoạn và thậm chí là cháy nổ, do các cấu trúc giống cây nhỏ, cứng, được gọi là đuôi gai, có thể phát triển bên trong pin lithium trong quá trình sạc nhanh và gây đoản mạch bên trong pin.

Để giải quyết nhu cầu về pin lithium-ion thực tế hơn, các nhà nghiên cứu từ Đại học California San Diego (UC San Diego) đã làm việc với các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) để tiến hành các thí nghiệm tán xạ neutron trên một loại vật liệu mới có thể được sử dụng để làm cho pin sạc nhanh hơn, an toàn hơn. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các mẫu oxit liti vanadi (Li3V2O5), một “loại muối đá có trật tự” tương tự như muối ăn nhưng với một mức độ ngẫu nhiên nhất định trong sự sắp xếp các nguyên tử của nó. Các mẫu được đặt trong một chùm neutron mạnh cho phép quan sát hoạt động của các ion bên trong vật liệu sau khi đặt một điện áp.

Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature trong một bài báo có tiêu đề “Cực dương đá muối bị rối loạn cho pin lithium-ion sạc nhanh”.

“Hai vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để làm cực dương cho pin lithium-ion là than chì, có thể cung cấp mật độ năng lượng cao nhưng đã gây ra hỏa hoạn trong một số trường hợp, và lithium titanate, có thể sạc nhanh và ít gây cháy hơn nhiều nhưng có hiệu suất thấp hơn. khả năng lưu trữ năng lượng, ”Haodong Liu, một nhà khoa học nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của giáo sư Ping Liu tại UC San Diego và là tác giả đầu tiên của bài báo. “Vật liệu đá muối hỗn hợp mà chúng tôi phát triển kết hợp các đặc tính mong muốn của cả hai – nó an toàn hơn, sạc nhanh hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.”

Vật liệu này đã thể hiện những phẩm chất mong muốn cho nhiều ứng dụng pin, chẳng hạn như EV và công cụ điện, bao gồm tốc độ có thể lưu trữ và xả năng lượng để sử dụng.

Trong quá trình thử nghiệm, vật liệu cực dương đá muối có thể cung cấp hơn 40% công suất năng lượng chỉ trong 20 giây. Việc sạc và xả nhanh có thể xảy ra vì vật liệu đá muối có thể luân chuyển hai ion liti vào và ra khỏi các vị trí trống trong cấu trúc tinh thể của nó.

Liu cho biết: “Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ neutron tại ORNL cho phép chúng tôi hiểu cách các ion hoạt động khi chúng tôi đặt điện áp vào vật liệu. “Các neutron có thể dễ dàng theo dõi các ion liti và nguyên tử oxy bên trong cực dương muối mỏ, và việc sử dụng thiết bị VULCAN tại Nguồn neutron Spallation (SNS) của ORNL đã cung cấp thông lượng và độ phân giải neutron cao mà chúng tôi cần.”

VULCAN được thiết kế để nghiên cứu neutron về biến dạng, thay đổi pha, ứng suất dư, kết cấu và cấu trúc vi mô trong vật liệu kỹ thuật. Khung tải, lò nung, chu trình pin và các thiết bị phụ trợ khác cho các thí nghiệm tại chỗ (trong đó vật liệu được nghiên cứu nguyên trạng) và các phép đo trạng thái ổn định (liên tục) hoặc phân giải theo thời gian (một loạt các “ảnh chụp nhanh”) được tích hợp với dụng cụ.

Ke An, một nhà khoa học về tán xạ neutron ORNL cho biết: “VULCAN là công cụ tán xạ neutron hàng đầu thế giới để nghiên cứu các vật liệu được chế tạo. “Thiết kế mở của nó cho phép các mẫu lớn và thậm chí các thiết bị cơ khí đang hoạt động, chẳng hạn như động cơ đốt trong đang chạy, được thử nghiệm và quan sát các đặc tính bên trong của chúng. Công cụ đã cung cấp thông tin khoa học quan trọng cho nghiên cứu lưu trữ năng lượng trong quá trình tổng hợp vật liệu pin cũng như các hành vi của chúng trong pin hoạt động. “

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cực dương đá muối có thể quay vòng hơn 10.000 lần với khả năng phân rã không đáng kể. Độ bền như vậy sẽ rất quan trọng đối với các ứng dụng tiêu dùng.

Liu cho biết: “Nghiên cứu này là một phần của sự hợp tác lâu dài giữa nhóm nghiên cứu của chúng tôi và ORNL, đã dẫn đến hơn 20 bài báo trên tạp chí được bình duyệt. “Các nhân viên tại Ban Giám đốc Khoa học Neutron của ORNL đã làm việc chặt chẽ với tôi và các đồng nghiệp của tôi để giúp chúng tôi tìm hiểu về khả năng của neutron và họ đã dạy chúng tôi cách sử dụng các công cụ để tiến hành các thí nghiệm và giải thích dữ liệu.”

Các nhà nghiên cứu cũng thực hiện các nghiên cứu hiển vi có độ phân giải cao để giải quyết các thay đổi cấu trúc tại Đại học California Irvine và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của DOE.

Sau khi những thí nghiệm này và những thí nghiệm tại ORNL được hoàn thành, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, cũng như các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE, đã tiến hành các nghiên cứu nhiễu xạ tia X và hấp thụ tia X để khám phá sự thay đổi cấu trúc tinh thể và cơ chế bù điện tích của vật liệu trong quá trình sạc và xả.

Giống như hầu hết người dùng, UC San Diego giữ quyền của mình đối với dữ liệu và bất kỳ tài sản trí tuệ nào được tạo ra trong quá trình thử nghiệm. Để thương mại hóa khám phá của mình, trường đại học sau đó đã làm việc với các nhà nghiên cứu của mình để thành lập một công ty tên là Tyfast, có kế hoạch nhắm mục tiêu đầu tiên vào thị trường xe buýt điện và công cụ điện.

Tham khảo: “Cực dương đá muối bị xáo trộn cho pin lithium-ion sạc nhanh” của Haodong Liu, Zhuoying Zhu, Qizhang Yan, Sicen Yu, Xin He, Yan Chen, Rui Zhang, Lu Ma, Tongchao Liu, Matthew Li, Ruoqian Lin , Yiming Chen, Yejing Li, Xing Xing, Yoonjung Choi, Lucy Gao, Helen Sung-yun Cho, Ke An, Jun Feng, Robert Kostecki, Khalil Amine, Tianpin Wu, Jun Lu, Huolin L. Xin, Shyue Ping Ong và Ping Liu, ngày 2 tháng 9 năm 2020, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-020-2637-6

Nghiên cứu tán xạ neutron được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE.

SNS là một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. ORNL được quản lý bởi UT-Battelle LLC cho Văn phòng Khoa học của DOE, đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ. Văn phòng Khoa học của DOE đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất trong thời đại của chúng ta.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.