Vật liệu mới lấy từ cây cối có thể mở đường cho pin tốt hơn, an toàn hơn

Một vật liệu có nguồn gốc từ cây cối có thể thay thế chất điện phân lỏng trong pin thế hệ tiếp theo.

Để theo đuổi loại pin cung cấp nhiều năng lượng hơn và hoạt động an toàn hơn, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để thay thế chất lỏng thường được sử dụng trong pin lithium ion hiện nay bằng vật liệu rắn. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Brown và Đại học Maryland đã phát triển một loại vật liệu mới để sử dụng trong pin thể rắn có nguồn gốc từ một nguồn không chắc chắn: cây cối.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature , nhóm nghiên cứu đã chứng minh một chất dẫn ion rắn kết hợp đồng với sợi nano xenlulo – ống polyme có nguồn gốc từ gỗ. Các nhà nghiên cứu cho biết, vật liệu mỏng như giấy này có độ dẫn ion tốt hơn từ 10 đến 100 lần so với các chất dẫn ion polyme khác. Nó có thể được sử dụng như một chất điện phân của pin rắn hoặc như một chất kết dính dẫn ion cho cực âm của pin ở trạng thái hoàn toàn rắn.

Liangbing Hu, giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Maryland cho biết: “Bằng cách kết hợp đồng với các sợi nano xenluloza một chiều, chúng tôi đã chứng minh rằng xenluloza thường cách điện với ion cung cấp tốc độ vận chuyển lithium-ion nhanh hơn trong các chuỗi polyme. . “Trên thực tế, chúng tôi nhận thấy chất dẫn ion này đã đạt được độ dẫn ion cao kỷ lục trong số tất cả các chất điện phân polyme rắn.”

Công trình là sự hợp tác giữa phòng thí nghiệm của Hu và phòng thí nghiệm của Yue Qi, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Brown.

Pin lithium ion ngày nay, được sử dụng rộng rãi trong mọi thứ, từ điện thoại di động đến ô tô, có chất điện phân làm từ muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ lỏng. Công việc của chất điện phân là dẫn các ion liti giữa cực âm và cực dương của pin. Chất điện phân lỏng hoạt động khá tốt, nhưng chúng có một số nhược điểm. Ở dòng điện cao, các sợi kim loại liti nhỏ, được gọi là đuôi gai, có thể hình thành trong chất điện phân dẫn đến đoản mạch. Ngoài ra, chất điện phân lỏng được làm bằng hóa chất dễ cháy và độc hại, có thể bắt lửa.

Chất điện phân rắn có khả năng ngăn cản sự xâm nhập của dendrite và có thể được làm từ vật liệu không cháy. Hầu hết các chất điện phân rắn được nghiên cứu cho đến nay là vật liệu gốm, có khả năng dẫn ion rất tốt nhưng chúng cũng dày, cứng và giòn. Căng thẳng trong quá trình sản xuất cũng như sạc và xả có thể dẫn đến nứt và vỡ.

Tuy nhiên, vật liệu được giới thiệu trong nghiên cứu này mỏng và linh hoạt, gần giống như một tờ giấy. Và độ dẫn ion của nó ngang bằng với gốm sứ.

Qi và Qisheng Wu, một cộng sự nghiên cứu cấp cao tại Brown, đã thực hiện mô phỏng trên máy tính về cấu trúc vi mô của vật liệu đồng-xenlulo để hiểu tại sao nó lại có thể dẫn điện tốt như vậy. Nghiên cứu mô hình hóa cho thấy rằng đồng làm tăng không gian giữa các chuỗi polyme xenlulo, thường tồn tại trong các bó được đóng gói chặt chẽ. Khoảng cách được mở rộng tạo ra lượng ion siêu xa lộ mà qua đó các ion liti có thể thoát ra một cách tương đối mà không bị cản trở.

Qi cho biết: “Các ion liti di chuyển trong chất điện phân rắn hữu cơ này thông qua các cơ chế mà chúng tôi thường tìm thấy trong gốm vô cơ, cho phép độ dẫn ion cao kỷ lục. “Sử dụng các vật liệu mà tự nhiên cung cấp sẽ làm giảm tác động tổng thể của việc sản xuất pin đối với môi trường của chúng ta.”

Ngoài hoạt động như một chất điện phân rắn, vật liệu mới này cũng có thể hoạt động như một chất kết dính cực âm cho pin ở trạng thái rắn. Để phù hợp với công suất của cực dương, cực âm cần phải dày hơn đáng kể. Tuy nhiên, độ dày đó có thể ảnh hưởng đến sự dẫn truyền ion, làm giảm hiệu quả. Để các catốt dày hơn có thể hoạt động, chúng cần được bọc trong chất kết dính dẫn ion. Sử dụng vật liệu mới của họ làm chất kết dính, nhóm nghiên cứu đã chứng minh thứ mà họ tin là một trong những cực âm dày nhất từng được báo cáo.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng vật liệu mới có thể là một bước tiến trong việc đưa công nghệ pin trạng thái rắn ra thị trường đại chúng.

Tham khảo: “Dây dẫn ion xenlulo được phối hợp đồng cho pin thể rắn” của Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weiqi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi và Liangbing Hu, 20 tháng 10 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03885-6

Nghiên cứu tại Đại học Brown được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (DMR-2054438).

Theo Scitechdaily