Sự đột phá về pin giúp tăng tốc cho chuyến bay điện &ô tô điện tầm xa

Ban đầu được xuất bản bởi Berkeley Lab

Công nghệ pin mới được phát triển tại Berkeley Lab có thể cung cấp cho máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng bằng điện (eVTOL) và siêu nạp điện cho ô tô điện tầm xa, an toàn

Theo đuổi pin có thể sạc lại có thể cung cấp năng lượng cho xe điện (EV) đi hàng trăm dặm chỉ với một lần sạc, các nhà khoa học đã cố gắng thay thế cực dương graphite hiện đang được sử dụng trong pin EV bằng cực dương kim loại lithium.

Nhưng trong khi kim loại lithium mở rộng phạm vi lái xe của EV thêm 30-50%, nó cũng rút ngắn thời gian sử dụng của pin do các đuôi gai lithium, các khuyết tật hình gai nhỏ hình thành trên cực dương lithium qua nhiều chu kỳ sạc và xả. Điều tồi tệ hơn là làm ngắn mạch các tế bào trong pin nếu chúng tiếp xúc với cực âm.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã giả định rằng các chất điện phân rắn, cứng, chẳng hạn như chất điện phân làm từ gốm sứ, sẽ hoạt động tốt nhất để ngăn chặn các sợi đuôi gai hoạt động theo cách của chúng trong tế bào. Nhưng vấn đề với cách tiếp cận đó, nhiều người phát hiện ra, là nó không ngăn được các đuôi gai hình thành hoặc “tạo mầm” ngay từ đầu, giống như những vết nứt nhỏ trên kính chắn gió ô tô mà cuối cùng sẽ lan rộng ra.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng (Phòng thí nghiệm Berkeley), phối hợp với Đại học Carnegie Mellon, đã báo cáo trên tạp chí Nature Materials về một loại chất điện phân rắn, mềm - được làm từ cả polyme và gốm - ngăn chặn các đuôi gai. trong giai đoạn tạo mầm ban đầu đó, trước khi chúng có thể lan truyền và khiến pin bị hỏng.

Công nghệ này là một ví dụ về sự hợp tác đa ngành của Berkeley Lab trên các cơ sở người dùng của mình để phát triển các ý tưởng mới nhằm lắp ráp, mô tả đặc điểm và phát triển các vật liệu và thiết bị cho pin trạng thái rắn.

Các công nghệ lưu trữ năng lượng ở trạng thái rắn như pin kim loại lithium thể rắn, sử dụng điện cực rắn và chất điện phân rắn, có thể cung cấp mật độ năng lượng cao kết hợp với độ an toàn tuyệt vời, nhưng công nghệ này phải vượt qua các thách thức về vật liệu và chế biến đa dạng.

Đồng tác giả Brett Helms, một nhà khoa học nhân viên tại Berkeley Lab’s Molecular Foundry, cho biết công nghệ khử dendrite của chúng tôi có ý nghĩa thú vị đối với ngành công nghiệp pin. “Với nó, các nhà sản xuất pin có thể sản xuất pin kim loại lithium an toàn hơn với cả mật độ năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài.”

Helms nói thêm rằng pin kim loại lithium được sản xuất bằng chất điện phân mới cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay điện.

Một phương pháp tiếp cận mềm để ngăn chặn dendrite

Chìa khóa cho việc thiết kế các chất điện phân rắn, mềm mới này là việc sử dụng các polyme mềm có độ xốp nội tại hay còn gọi là PIM, có các lỗ rỗng chứa đầy các hạt gốm nano. Bởi vì chất điện phân vẫn là một vật liệu linh hoạt, mềm, rắn, các nhà sản xuất pin sẽ có thể sản xuất các cuộn lá lithium với chất điện phân làm lớp phủ giữa cực dương và bộ phân tách pin. Helms cho biết các cụm điện cực phụ này, hoặc LESA, là sự thay thế hấp dẫn cho cực dương than chì thông thường, cho phép các nhà sản xuất pin sử dụng dây chuyền lắp ráp hiện có của họ.

Nhóm Helms đã sử dụng tia X tại Berkeley Lab’s Advanced Light Source để tạo ra hình ảnh 3D về giao diện giữa kim loại lithium và chất điện phân. (Nhà cung cấp:Brett Helms / Berkeley Lab)

Để chứng minh các tính năng ngăn chặn dendrite của chất điện phân tổng hợp PIM mới, nhóm Helms đã sử dụng tia X tại Nguồn sáng nâng cao của Berkeley Lab để tạo hình ảnh 3D về giao diện giữa kim loại lithium và chất điện phân, đồng thời để hình dung quá trình mạ và tước lithium đến 16 giờ ở dòng điện cao. Quan sát thấy sự phát triển trơn tru liên tục của lithi khi có mặt chất điện phân tổng hợp PIM mới, trong khi không có mặt giao diện này, bề mặt cho thấy các dấu hiệu nhận biết về giai đoạn đầu của sự phát triển của tua gai.

Những dữ liệu này và các dữ liệu khác đã xác nhận các dự đoán từ một mô hình vật lý mới về sự lắng đọng điện của kim loại lithium, có tính đến cả đặc tính hóa học và cơ học của chất điện ly rắn.

Vào năm 2017, khi thông thường cho rằng bạn cần chất điện phân cứng, chúng tôi đã đề xuất rằng một cơ chế ức chế dendrite mới có thể thực hiện được với chất điện phân rắn mềm, ”đồng tác giả Venkat Viswanathan, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và đồng giảng viên tại Scott. Viện Đổi mới Năng lượng tại Đại học Carnegie Mellon, người dẫn đầu các nghiên cứu lý thuyết cho công trình. “Thật đáng kinh ngạc khi tìm thấy một hiện thực hóa vật chất của phương pháp này với vật liệu tổng hợp PIM.”

Một người nhận giải thưởng trong chương trình IONICS của Cơ quan Năng lượng-Năng lượng (ARPA-E), 24M Technologies, đã tích hợp những vật liệu này vào pin định dạng lớn hơn cho cả xe điện và máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng, hoặc eVTOL.

Mặc dù có những yêu cầu riêng về nguồn điện đối với EV và eVTOL, nhưng công nghệ điện phân rắn tổng hợp PIM dường như rất linh hoạt và cho phép ở công suất cao, ”Helms nói.

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Berkeley và Đại học Carnegie Mellon đã tham gia vào nghiên cứu.

Xưởng đúc phân tử và Nguồn sáng nâng cao là các cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE đồng đặt tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Công việc này được hỗ trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Nâng cao – Năng lượng (ARPA-E) và Văn phòng Khoa học DOE. Tài trợ bổ sung được cung cấp bởi Văn phòng Phát triển Lực lượng Lao động cho Giáo viên và Nhà khoa học của DOE, cho phép sinh viên đại học tham gia vào nghiên cứu thông qua chương trình Thực tập tại Phòng thí nghiệm Khoa học dành cho Đại học.

New Zealand thử nghiệm taxi bay Wisk eVTOL

Được thành lập vào năm 1931 với niềm tin rằng những thách thức khoa học lớn nhất được các nhóm giải quyết tốt nhất, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và các nhà khoa học của nó đã được công nhận với 13 giải Nobel. Ngày nay, các nhà nghiên cứu của Berkeley Lab phát triển các giải pháp năng lượng và môi trường bền vững, tạo ra các vật liệu mới hữu ích, nâng cao giới hạn của điện toán và thăm dò những bí ẩn của sự sống, vật chất và vũ trụ. Các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới dựa vào cơ sở vật chất của Phòng thí nghiệm cho khoa học khám phá của riêng họ. Berkeley Lab là một phòng thí nghiệm quốc gia đa chương trình, do Đại học California quản lý cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Văn phòng Khoa học của DOE là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất trong thời đại của chúng ta. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập energy.gov/science.