Nghiên cứu mới mô tả sự phát triển của các nguyên tử lithium có cấu trúc nano (màu xanh lam) lắng đọng trên một điện cực (màu vàng) trong quá trình sạc pin. Hình ảnh được phép của Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho làm việc với Đại học California, San Diego đã chỉ ra những cải thiện trong hành vi sạc pin. Các phát hiện đề xuất các chiến lược giúp tăng cường khả năng sạc lại và tăng tuổi thọ của pin. Nghiên cứu hấp dẫn để tạo ra kim loại thủy tinh:

So với lithium tinh thể, lithium thủy tinh vượt trội hơn về khả năng đảo ngược điện hóa và là cấu trúc mong muốn cho các loại pin có thể sạc lại năng lượng cao, các tác giả viết. ”

Nghiên cứu được công bố trên Nature Materials bởi Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Cực dương kim loại Li bằng thủy tinh cho pin Li hiệu suất cao có thể sạc lại. - Nat. Mater. (Năm 2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1

Ở đây, kính hiển vi điện tử truyền qua đông lạnh đã được sử dụng để khám phá cấu trúc nano đang phát triển của trầm tích kim loại Li ở các trạng thái thoáng qua khác nhau trong quá trình tạo mầm và tăng trưởng, trong đó sự chuyển pha trật tự được quan sát như một hàm của mật độ dòng điện và thời gian lắng đọng . Tương tác nguyên tử trên các thang không gian và thời gian rộng được mô tả bằng các mô phỏng động lực học phân tử phản ứng để hỗ trợ việc hiểu động học. So với Li tinh thể, Li thủy tinh vượt trội hơn về khả năng đảo ngược điện hóa và nó có cấu trúc mong muốn cho pin Li năng lượng cao có thể sạc lại.

Phát hiện của chúng tôi liên quan đến độ kết tinh của các hạt nhân với sự phát triển sau đó của cấu trúc nano và hình thái học, đồng thời cung cấp các chiến lược để kiểm soát và định hình cấu trúc trung gian của kim loại Li để đạt được hiệu suất cao trong pin Li có thể sạc lại.

—Wang et al.

Toàn bộ câu chuyện:

CÂU HỎI NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA PIN ĐỂ PHÁT HIỆN KIM LOẠI KÍNH HIẾM

Ban đầu được xuất bản bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho

Các nhà khoa học vật liệu đang xem xét kỹ lưỡng những khoảnh khắc sạc pin đầu tiên đã bắt gặp một thực thể đáng kinh ngạc. Khám phá của họ thách thức những kỳ vọng, logic và kinh nghiệm. Quan trọng hơn, nó có thể mở ra cánh cửa cho những loại pin tốt hơn, chất xúc tác nhanh hơn và những bước nhảy vọt về khoa học vật liệu khác.

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho và Đại học California San Diego đã điều tra các giai đoạn sớm nhất của quá trình sạc lại lithium ở cấp độ nguyên tử. Trước sự ngạc nhiên của họ, họ biết được rằng sạc chậm, năng lượng thấp khiến các nguyên tử lithium lắng đọng trên các điện cực một cách vô tổ chức giúp cải thiện hành vi sạc. Liti “thủy tinh” không tinh thể này chưa từng được quan sát thấy và việc tạo ra các kim loại vô định hình như vậy theo truyền thống là cực kỳ khó khăn.

Các phát hiện đề xuất các chiến lược để tinh chỉnh các phương pháp sạc lại nhằm tăng tuổi thọ pin và — hấp dẫn — để sản xuất kim loại thủy tinh cho các ứng dụng khác. Nghiên cứu đã xuất hiện trực tuyến trong tuần này trên Vật liệu tự nhiên .

KIẾN THỨC SẠC, KHÔNG CẦN BIẾT

Kim loại Lithium được coi là cực dương lý tưởng cho pin sạc năng lượng cao, loại pin này phải nhẹ nhưng lưu trữ được nhiều năng lượng. Việc sạc lại những loại pin như vậy liên quan đến việc lắng đọng các nguyên tử lithium lên bề mặt cực dương, một quá trình chưa được hiểu rõ ở cấp độ nguyên tử.

Các nhà khoa học biết rằng các cực dương kim loại lithium có thể sạc lại thất thường và do đó, không thể chịu được nhiều chu kỳ sạc lại. Cách các nguyên tử liti bám vào cực dương có thể thay đổi từ chu kỳ nạp điện này sang chu kỳ nạp điện tiếp theo, có khả năng bị ảnh hưởng bởi sự kết tụ sớm nhất của một vài nguyên tử đầu tiên, một quá trình được gọi là tạo mầm.

Gorakh Pawar, một nhà khoa học thuộc nhân viên INL và là một trong hai tác giả chính của bài báo cho biết:“Sự tạo mầm ban đầu đó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của pin. Họ viết:“Điều quan trọng là phải hiểu cơ chế cơ bản của sự lắng đọng lithium… đặc biệt là trong giai đoạn rất sớm của quá trình tạo mầm,” họ viết.

MẪU XEM LITHIUM EMBRYOS

Để khám phá cách các nguyên tử lithium kết hợp với nhau lần đầu tiên trong quá trình sạc lại, các nhà nghiên cứu đã kết hợp hình ảnh và phân tích từ kính hiển vi điện tử mạnh mẽ với việc làm mát bằng nitơ lỏng và mô hình máy tính. Phương pháp tiếp cận kính hiển vi điện tử trạng thái lạnh tiên phong cho phép họ nhìn thấy việc tạo ra “phôi” kim loại lithium và các mô phỏng trên máy tính đã giúp giải thích những gì họ đã thấy.

Lithi, giống như các kim loại khác, thường tồn tại trong một pha tinh thể có cấu trúc. Pawar nói:“Liti“ sần sùi ”như vậy có thể dẫn đến việc sạc lại không nhất quán và ngắn vì các tinh thể có thể phát triển với nhiều hình dạng khác nhau. Quá trình tăng trưởng lithium không nhất quán từ chu kỳ sạc này sang chu kỳ sạc khác dẫn đến hình dạng bất thường (còn gọi là đuôi gai) và có thể làm giảm tuổi thọ pin.

Khi nhóm nghiên cứu tìm cách tìm hiểu quá trình tạo mầm ban đầu, họ đã rất ngạc nhiên khi biết rằng một số điều kiện nhất định đã tạo ra một dạng liti ít cấu trúc hơn là vô định hình (như thủy tinh) chứ không phải là tinh thể (như kim cương).

Shirley Meng, người dẫn đầu công trình kính hiển vi lạnh tiên phong của UC San Diego, cho biết:“Sức mạnh của hình ảnh đông lạnh để khám phá các hiện tượng mới trong khoa học vật liệu được thể hiện trong công trình nghiên cứu này. Cô cho biết dữ liệu hình ảnh và quang phổ thu được thường phức tạp và phức tạp, lưu ý rằng, “Chính tinh thần đồng đội thực sự đã giúp chúng tôi giải thích dữ liệu thử nghiệm một cách tự tin vì mô hình tính toán đã giúp giải mã độ phức tạp.”

LỜI CẢM ƠN

So với lithium tinh thể, lithium thủy tinh vượt trội hơn về khả năng đảo ngược điện hóa và là cấu trúc mong muốn cho pin sạc năng lượng cao, ”các tác giả viết. Phát hiện này gây chấn động vì các kim loại nguyên tố vô định hình tinh khiết chưa từng được quan sát thấy trước đây. Chúng cực kỳ khó sản xuất và chỉ một số hỗn hợp kim loại (hợp kim) được quan sát thấy có cấu hình "thủy tinh", mang lại các đặc tính vật liệu mạnh mẽ.

Hơn nữa, nhóm nghiên cứu còn biết được rằng một phôi liti thủy tinh có nhiều khả năng giữ được cấu trúc vô định hình trong suốt quá trình phát triển. Khi các nhà nghiên cứu làm việc để tìm hiểu điều kiện nào tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo mầm thủy tinh, họ lại bị sốc.

“Chúng tôi có thể tạo ra kim loại vô định hình trong điều kiện rất nhẹ với tốc độ sạc rất chậm,” Boryann Liaw, một thành viên giám đốc INL và trưởng nhóm INL cho biết. “Điều đó khá bất ngờ.”

Kết quả đó là phản trực giác vì người ta cho rằng tốc độ lắng đọng chậm sẽ cho phép các nguyên tử tìm đường vào một mảng có trật tự - liti sần sùi. Liaw cho biết để tìm ra liti dạng thủy tinh trong những điều kiện như vậy được coi là điều không tưởng. Công việc mô hình hóa đã giải thích cách động học phản ứng cạnh tranh với sự kết tinh để thúc đẩy sự hình thành thủy tinh. Nhóm đã xác nhận những phát hiện đó bằng cách tạo ra các dạng thủy tinh của bốn kim loại phản ứng hơn rất hấp dẫn cho các ứng dụng pin.

ĐIỀU GÌ TIẾP THEO?

Nghiên cứu cho thấy làm thế nào để đạt được cặn lithium thủy tinh tốt hơn trong quá trình sạc lại pin năng lượng cao. Khi được áp dụng, kết quả này có thể giúp đáp ứng các mục tiêu của tập đoàn Battery500, một sáng kiến ​​của Bộ Năng lượng đã tài trợ cho nghiên cứu. Tập đoàn đặt mục tiêu phát triển các loại pin xe điện khả thi về mặt thương mại với năng lượng cụ thể ở cấp độ tế bào là 500 Wh / kg.

“Sự đổi mới thực sự phải đến từ sự hiểu biết khoa học rất cơ bản về bất kỳ vật liệu hoặc quy trình nào,” Liaw nói. Ngoài ra, hiểu biết mới này có thể dẫn đến các chất xúc tác kim loại hiệu quả hơn, lớp phủ kim loại mạnh hơn và các ứng dụng khác có thể được hưởng lợi từ kim loại thủy tinh.

Mối tương quan giữa độ kết tinh của kim loại Li và hiệu suất (trái) và các chiến lược để đạt được hiệu suất tốt hơn (phải). Hiệu suất (bên trái) được xác định là hiệu suất điện hóa của kim loại Li làm cực dương cho pin kim loại Li, bao gồm hiệu suất Coulombic cao (CE), tuổi thọ chu kỳ dài, thay đổi thể tích thấp và không có đuôi gai Li. Kết nối cấu trúc được gọi là khả năng duy trì con đường điện tử và ion để chuyển điện tích và vận chuyển ion; kết nối cấu trúc kém sẽ tạo điều kiện cho hoạt động điện hóa bị mất và tạo thành Li ‘chết’. Độ thuận nghịch điện hóa được đo bằng tỷ lệ hàm lượng của Li bị tước bởi Li được mạ, phải gần bằng 100%. Mật độ lắng đọng lý tưởng phải phù hợp với mật độ lý thuyết của kim loại Li (0,534 g cm – 3). Các chiến lược được đề xuất như sử dụng chất nền 3D, thay đổi mật độ dòng điện, kỹ thuật xen kẽ và thiết kế chất điện phân có thể thay đổi sự truyền năng lượng và truyền khối lượng của EDLi trong quá trình tạo mầm và tăng trưởng, do đó dẫn đến sự kết tinh khác nhau của EDLi. Wang và cộng sự.