Pin thể rắn hiệu suất cao mới khiến các kỹ sư tạo ra nó kinh ngạc

Các kỹ sư tạo ra một loại pin thể rắn có hiệu suất cao với cực dương silicon tinh khiết.

Các kỹ sư đã tạo ra một loại pin mới kết hợp hai trường phụ pin đầy hứa hẹn thành một pin duy nhất. Pin sử dụng cả chất điện phân trạng thái rắn và cực dương hoàn toàn bằng silicon, làm cho nó trở thành pin trạng thái rắn hoàn toàn bằng silicon. Các vòng thử nghiệm ban đầu cho thấy loại pin mới an toàn, bền lâu và năng lượng dồi dào. Nó hứa hẹn cho một loạt các ứng dụng từ lưu trữ điện lưới đến xe điện.

Công nghệ pin được mô tả trong số ra ngày 24 tháng 9 năm 2021 của tạp chí Science . Các nhà nghiên cứu kỹ thuật nano của Đại học California San Diego đã dẫn đầu cuộc nghiên cứu, với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại LG Energy Solution.

Cực dương silicon nổi tiếng với mật độ năng lượng lớn hơn 10 lần so với cực dương graphit thường được sử dụng trong pin lithium ion thương mại hiện nay. Mặt khác, cực dương silicon nổi tiếng về cách chúng giãn nở và co lại khi pin sạc và phóng điện, cũng như cách chúng phân hủy với chất điện phân lỏng. Những thách thức này đã khiến các cực dương hoàn toàn bằng silicon không có trong pin lithium ion thương mại mặc dù mật độ năng lượng đáng kinh ngạc. Công trình mới được công bố trên tạp chí Science cung cấp một hướng đi đầy hứa hẹn cho các cực dương toàn silicon, nhờ vào chất điện phân phù hợp.

Darren HS Tan, tác giả chính của bài báo cho biết: “Với cấu hình pin này, chúng tôi đang mở ra một lãnh thổ mới cho pin thể rắn sử dụng cực dương hợp kim như silicon. Anh vừa hoàn thành bằng Tiến sĩ kỹ thuật hóa học tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs và đồng sáng lập một công ty khởi nghiệp Pin UNIGRID đã cấp phép cho công nghệ này.

Thế hệ tiếp theo, pin thể rắn với mật độ năng lượng cao luôn dựa vào lithium kim loại làm cực dương. Nhưng điều đó đặt ra những hạn chế về tốc độ sạc pin và yêu cầu nhiệt độ tăng cao (thường là 60 độ C hoặc cao hơn) trong quá trình sạc. Cực dương silicon khắc phục được những hạn chế này, cho phép tốc độ sạc nhanh hơn nhiều ở nhiệt độ phòng đến nhiệt độ thấp, trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng cao.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh một tế bào đầy đủ quy mô phòng thí nghiệm cung cấp 500 chu kỳ sạc và xả với khả năng duy trì 80% dung lượng ở nhiệt độ phòng, điều này thể hiện sự tiến bộ thú vị cho cả cộng đồng pin cực dương silicon và pin trạng thái rắn.

Silicon làm cực dương thay thế than chì

Tất nhiên, cực dương silicon không phải là mới. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học và nhà sản xuất pin đã xem xét silicon như một vật liệu giàu năng lượng để trộn vào hoặc thay thế hoàn toàn các cực dương graphit thông thường trong pin lithium-ion. Về mặt lý thuyết, silicon cung cấp khả năng lưu trữ gấp khoảng 10 lần so với graphite. Tuy nhiên, trên thực tế, pin lithium-ion có thêm silicon vào cực dương để tăng mật độ năng lượng thường gặp phải các vấn đề về hiệu suất trong thế giới thực: cụ thể là số lần pin có thể được sạc và xả trong khi duy trì hiệu suất không đủ cao.

Phần lớn vấn đề là do sự tương tác giữa các cực dương silicon và chất điện phân lỏng mà chúng đã được ghép nối với nhau. Tình hình phức tạp bởi sự giãn nở thể tích lớn của các hạt silicon trong quá trình tích điện và phóng điện. Điều này dẫn đến tổn thất công suất nghiêm trọng theo thời gian.

“Là những nhà nghiên cứu về pin, điều quan trọng là phải giải quyết các vấn đề gốc rễ trong hệ thống. Đối với cực dương silicon, chúng tôi biết rằng một trong những vấn đề lớn là sự không ổn định của bề mặt điện phân lỏng, ”giáo sư kỹ thuật nano của UC San Diego, Shirley Meng, tác giả tương ứng trên tờ Science , và là giám đốc của Viện thiết kế và khám phá vật liệu tại UC San. Diego. Meng nói: “Chúng tôi cần một cách tiếp cận hoàn toàn khác.

Thật vậy, nhóm dẫn đầu của UC San Diego đã thực hiện một cách tiếp cận khác: họ loại bỏ carbon và các chất kết dính đi kèm với các cực dương hoàn toàn bằng silicon. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng silicon siêu nhỏ, ít xử lý hơn và ít tốn kém hơn silicon nano thường được sử dụng.

Một giải pháp hoàn toàn ở trạng thái rắn

Ngoài việc loại bỏ tất cả carbon và chất kết dính khỏi cực dương, nhóm nghiên cứu cũng loại bỏ chất điện phân lỏng. Thay vào đó, họ sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua. Các thí nghiệm của họ cho thấy chất điện phân rắn này cực kỳ ổn định trong pin có cực dương hoàn toàn bằng silicon.

Giáo sư Meng cho biết: “Công trình mới này cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề cực dương silicon, mặc dù còn nhiều việc phải làm”, “Tôi xem dự án này là sự xác nhận cách tiếp cận của chúng tôi đối với nghiên cứu pin tại UC San Diego. Chúng tôi kết hợp công việc lý thuyết và thực nghiệm nghiêm ngặt nhất với sự sáng tạo và tư duy vượt trội. Chúng tôi cũng biết cách tương tác với các đối tác trong ngành trong khi theo đuổi những thách thức cơ bản khó khăn ”.

Những nỗ lực trước đây nhằm thương mại hóa cực dương hợp kim silic chủ yếu tập trung vào vật liệu tổng hợp silic-graphit, hoặc kết hợp các hạt có cấu trúc nano với chất kết dính cao phân tử. Nhưng họ vẫn phải vật lộn với sự ổn định kém.

Bằng cách hoán đổi chất điện phân lỏng lấy chất điện phân rắn, đồng thời loại bỏ cacbon và chất kết dính khỏi cực dương silicon, các nhà nghiên cứu đã tránh được một loạt thách thức liên quan nảy sinh khi cực dương bị ngâm trong chất điện phân lỏng hữu cơ khi pin hoạt động.

Đồng thời, bằng cách loại bỏ cacbon trong cực dương, nhóm nghiên cứu đã giảm đáng kể sự tiếp xúc giữa bề mặt (và các phản ứng phụ không mong muốn) với chất điện phân rắn, tránh hiện tượng mất dung lượng liên tục thường xảy ra với chất điện phân chất lỏng.

Động thái gồm hai phần này cho phép các nhà nghiên cứu gặt hái được đầy đủ những lợi ích từ chi phí thấp, năng lượng cao và các đặc tính lành tính với môi trường của silicon.

Tác động & thương mại hóa Spin-off

“Phương pháp tiếp cận silicon ở trạng thái rắn khắc phục được nhiều hạn chế trong các loại pin thông thường. Darren HS Tan, tác giả đầu tiên của bài báo Science cho biết: Nó mang đến những cơ hội thú vị để chúng tôi đáp ứng nhu cầu của thị trường về năng lượng thể tích cao hơn, giảm chi phí và pin an toàn hơn, đặc biệt là để lưu trữ năng lượng lưới.

Các chất điện phân rắn dựa trên sulfua thường được cho là rất không ổn định. Tuy nhiên, điều này dựa trên các diễn giải nhiệt động lực học truyền thống được sử dụng trong các hệ thống điện phân lỏng, điều này không giải thích cho sự ổn định động học tuyệt vời của các chất điện phân rắn. Nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy cơ hội sử dụng đặc tính phản trực giác này để tạo ra một cực dương có độ ổn định cao.

Tan là CEO và đồng sáng lập của một công ty khởi nghiệp, UNIGRID Battery, đã cấp phép công nghệ cho các loại pin thể rắn silicon này.

Song song đó, các công việc cơ bản liên quan sẽ được tiếp tục tại UCSan Diego, bao gồm cả hợp tác nghiên cứu bổ sung với LG Energy Solution.

Myung-hwan Kim, Chủ tịch kiêm Giám đốc Mua sắm của LG Energy Solution cho biết: “LG Energy Solution rất vui mừng vì nghiên cứu mới nhất về công nghệ pin với UC San Diego đã được đưa lên tạp chí Khoa học, một sự thừa nhận có ý nghĩa”. “Với phát hiện mới nhất, LG Energy Solution đã tiến gần hơn đến việc hiện thực hóa các kỹ thuật pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, điều này sẽ làm đa dạng hóa dòng sản phẩm pin của chúng tôi”.

Kim nói thêm: “Là một nhà sản xuất pin hàng đầu, LGES sẽ tiếp tục nỗ lực thúc đẩy các kỹ thuật hiện đại trong nghiên cứu hàng đầu về các tế bào pin thế hệ tiếp theo. LG Energy Solution cho biết họ có kế hoạch mở rộng hơn nữa hợp tác nghiên cứu pin thể rắn với UC San Diego.

Tham khảo: “Cực dương silicon tải cao không chứa carbon được kích hoạt bởi chất điện phân rắn sulfide” của Darren HS Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, Zheng Chen và Ying Shirley Meng, 24 tháng 9 năm 2021, Science .
DOI: 10.1126 / science.abg7217

Nghiên cứu đã được hỗ trợ bởi sự đổi mới mở của LG Energy Solution, một chương trình hỗ trợ tích cực cho các nghiên cứu liên quan đến pin. LGES đã và đang làm việc với các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới để thúc đẩy các kỹ thuật liên quan.

Tác giả: Darren HS Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen và Ying Shirley Meng từ Khoa Kỹ thuật Nano, Chương trình Kỹ thuật Hóa học, và Trung tâm Năng lượng & Năng lượng Bền vững (SPEC) Đại học California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, từ LG Energy Solution, Ltd.

Tài trợ: Nghiên cứu này được hỗ trợ tài chính bởi công ty Giải pháp Năng lượng LG thông qua chương trình Cuộc thi Sáng tạo Pin (BIC). ZC ghi nhận nguồn tài trợ từ quỹ hỗ trợ khởi nghiệp từ Trường Kỹ thuật Jacob thuộc Đại học California San Diego. YSM ghi nhận sự hỗ trợ tài trợ từ Quỹ Chủ tịch Zable Endowed.

Theo Scitechdaily