Được xuất bản ban đầu vào Stanford | Khoa học Tin tức
Bởi Mark Shwartz
Các nhà nghiên cứu Stanford đã thiết kế một chất điện phân mới cho pin kim loại lithium có thể tăng phạm vi lái của ô tô điện. Xem video bên dưới.
Một chất điện phân mới dựa trên lithium do các nhà khoa học của Đại học Stanford phát minh có thể mở đường cho thế hệ xe điện chạy bằng pin tiếp theo.
Kiểm tra khả năng kết hợp trên chất điện phân mới cho pin kim loại lithium (Được phép của Stanford ENERGY)
Trong một nghiên cứu được công bố ngày 22 tháng 6 trên tạp chí Nature Energy , Các nhà nghiên cứu Stanford chứng minh cách thiết kế điện phân mới của họ tăng hiệu suất của pin kim loại lithium, một công nghệ đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho xe điện, máy tính xách tay và các thiết bị khác.
Đồng tác giả nghiên cứu Yi Cui, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu và khoa học photon tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC, cho biết:“Hầu hết ô tô điện chạy bằng pin lithium-ion, đang nhanh chóng đạt đến giới hạn lý thuyết về mật độ năng lượng. “Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào pin kim loại lithium, nhẹ hơn pin lithium-ion và có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn cho mỗi đơn vị trọng lượng và thể tích.”
Pin Lithium-ion, được sử dụng trong mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến ô tô điện, có hai điện cực - một cực âm tích điện dương chứa lithium và một cực dương tích điện âm thường làm bằng than chì. Dung dịch điện phân cho phép các ion liti di chuyển qua lại giữa cực dương và cực âm khi pin được sử dụng và khi sạc lại.
Pin kim loại lithium có thể chứa lượng điện gấp đôi mỗi kg so với pin lithium-ion thông thường ngày nay. Pin kim loại liti thực hiện điều này bằng cách thay thế cực dương bằng than chì bằng kim loại liti, có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn đáng kể.
Đồng tác giả nghiên cứu Zhenan Bao, K.K. Lee Giáo sư tại Trường Kỹ thuật. “Nhưng trong quá trình hoạt động, cực dương kim loại liti phản ứng với chất điện phân lỏng. Điều này gây ra sự phát triển của các vi cấu trúc liti được gọi là đuôi gai trên bề mặt của cực dương, có thể khiến pin bắt lửa và hỏng. ”
Các nhà nghiên cứu đã dành nhiều thập kỷ để cố gắng giải quyết vấn đề dendrite.
Đồng tác giả Zhiao Yu, một sinh viên tốt nghiệp ngành hóa học, cho biết:“Chất điện phân là gót chân Achilles của pin kim loại lithium. “Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng hóa học hữu cơ để thiết kế hợp lý và tạo ra các chất điện phân mới, ổn định cho các loại pin này.”
Đối với nghiên cứu, Yu và các đồng nghiệp của ông đã tìm hiểu xem liệu họ có thể giải quyết các vấn đề về độ ổn định bằng một chất điện phân lỏng thông thường, có bán trên thị trường hay không.
Yu nói:“Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng việc thêm các nguyên tử flo vào phân tử chất điện ly sẽ làm cho chất lỏng ổn định hơn. “Flo là một nguyên tố được sử dụng rộng rãi trong chất điện phân cho pin lithium. Chúng tôi đã sử dụng khả năng thu hút các điện tử của nó để tạo ra một phân tử mới cho phép cực dương kim loại liti hoạt động tốt trong chất điện phân. ”
Kết quả là một hợp chất tổng hợp mới, viết tắt là FDMB, có thể dễ dàng được sản xuất hàng loạt.
Bao cho biết:“Các thiết kế chất điện phân đang trở nên rất kỳ lạ. “Một số có triển vọng tốt nhưng sản xuất rất đắt. Phân tử FDMB mà Zhiao nghĩ ra rất dễ tạo ra với số lượng lớn và khá rẻ. ”
Nhóm Stanford đã thử nghiệm chất điện phân mới trong pin kim loại lithium.
Kết quả thật ấn tượng. Pin thử nghiệm vẫn giữ được 90% mức sạc ban đầu sau 420 chu kỳ sạc và xả. Trong các phòng thí nghiệm, pin kim loại lithium điển hình ngừng hoạt động sau khoảng 30 chu kỳ.
Các nhà nghiên cứu cũng đo lường mức độ hiệu quả của các ion lithium được chuyển giữa cực dương và cực âm trong quá trình sạc và phóng điện, một đặc tính được gọi là “hiệu suất đồng kết hợp”.
“Nếu bạn sạc 1.000 ion lithium, bạn nhận lại được bao nhiêu ion sau khi xả?” Cui nói. “Lý tưởng nhất là bạn muốn 1.000 trên 1.000 cho hiệu suất đồng tổng hợp là 100 phần trăm. Để khả thi về mặt thương mại, một tế bào pin cần có hiệu suất đồng kết hợp ít nhất là 99,9%. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi có 99,52 phần trăm trong các ô nửa và 99,98 phần trăm trong các ô đầy đủ; một hiệu suất đáng kinh ngạc. ”
Để có thể sử dụng trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, nhóm Stanford cũng đã thử nghiệm chất điện phân FDMB trong các tế bào túi kim loại lithium không có anốt - loại pin có sẵn trên thị trường với cực âm cung cấp lithium cho cực dương.
“Ý tưởng là chỉ sử dụng lithium ở phía cực âm để giảm trọng lượng,” đồng tác giả Hansen Wang, một nghiên cứu sinh về khoa học vật liệu và kỹ thuật, cho biết. “Pin không có cực dương chạy 100 chu kỳ trước khi dung lượng của nó giảm xuống còn 80% - không tốt bằng pin lithium-ion tương đương, có thể chạy 500 đến 1.000 chu kỳ, nhưng vẫn là một trong những pin không có cực dương hoạt động tốt nhất”.
Ông Bao nói thêm:“Những kết quả này cho thấy nhiều hứa hẹn đối với nhiều loại thiết bị. “Pin nhẹ, không chứa cực dương sẽ là một tính năng hấp dẫn cho máy bay không người lái và nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng khác.”
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đang tài trợ cho một tập đoàn nghiên cứu lớn có tên là Battery500 để sản xuất pin kim loại lithium khả dụng, cho phép các nhà sản xuất ô tô chế tạo các loại xe điện nhẹ hơn có thể lái được quãng đường xa hơn giữa các lần sạc. Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi một khoản tài trợ từ hiệp hội, bao gồm Stanford và SLAC.
Bằng cách cải thiện cực dương, chất điện phân và các thành phần khác, Battery500 đặt mục tiêu tăng gần gấp ba lần lượng điện mà pin kim loại lithium có thể cung cấp, từ khoảng 180 watt-giờ mỗi kg khi chương trình bắt đầu vào năm 2016 lên 500 watt-giờ mỗi kg. Tỷ lệ năng lượng trên trọng lượng cao hơn, hay còn gọi là "năng lượng cụ thể", là chìa khóa để giải quyết nỗi lo về phạm vi mà những người mua xe điện tiềm năng thường mắc phải.
“Pin không có cực dương trong phòng thí nghiệm của chúng tôi đạt năng lượng cụ thể khoảng 325 watt-giờ cho mỗi kg, một con số đáng nể,” Cui nói. “Bước tiếp theo của chúng tôi có thể là cộng tác với các nhà nghiên cứu khác trong Battery500 để tạo ra các tế bào đạt được mục tiêu của tập đoàn là 500 watt-giờ mỗi kg.”
Ngoài tuổi thọ chu kỳ dài hơn và độ ổn định tốt hơn, chất điện phân FDMB cũng ít bắt lửa hơn nhiều so với chất điện phân thông thường, như các nhà nghiên cứu đã chứng minh trong video này.
“Nghiên cứu của chúng tôi về cơ bản cung cấp một nguyên tắc thiết kế mà mọi người có thể áp dụng để tạo ra các chất điện giải tốt hơn,” Bao nói thêm. “Chúng tôi chỉ đưa ra một ví dụ, nhưng có nhiều khả năng khác.”
Các đồng tác giả khác của Stanford bao gồm Jian Qin , phó giáo sư kỹ thuật hóa học; các học giả sau tiến sĩ Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury và Chibueze Amanchukwu; nghiên cứu sinh William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng và Samantha Hung; và các sinh viên chưa tốt nghiệp Yuting Ma và Eder Lomeli. Xinchang Wang từ Đại học Hạ Môn cũng là đồng tác giả. Zhenan Bao và Yi Cui là nghiên cứu sinh cao cấp tại Stanford’s Viện Năng lượng Precourt . Cui cũng là một điều tra viên chính tại Viện Khoa học Vật liệu &Năng lượng Stanford , một doanh Chương trình nghiên cứu SLAC / Stanford.
Công việc này cũng được hỗ trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Vật liệu Pin tại Văn phòng Công nghệ Xe cộ của DOE. Cơ sở vật chất được sử dụng tại Stanford được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia.
“Thử nghiệm khả năng cháy trên chất điện phân mới cho pin kim loại lithium”, Hình ảnh nổi bật được phép sử dụng video của Stanford ENERGY
Sự đột phá về pin giúp tăng tốc cho chuyến bay điện &ô tô điện tầm xa
Buổi ra mắt trực tuyến của Xe buýt điện Solaris Mới
Các loại xe điện ở Ấn Độ
Người giải thích:Xe điện chạy bằng pin có thể kéo được không?