Các hạt litanat liti lantan cho phép mật độ công suất cao ngay cả ở kích thước micromet - ấn phẩm trên Nature Communications

Được xuất bản ban đầu trên Học viện Công nghệ Karlsruhe (KIT)

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) và Đại học Cát Lâm ở Trường Xuân / Trung Quốc đã nghiên cứu một loại vật liệu cực dương có triển vọng cao cho các loại pin hiệu suất cao trong tương lai - lithium lantan titanate với cấu trúc tinh thể perovskite (LLTO). Như nhóm đã báo cáo trên tạp chí Nature Communications, LLTO có thể cải thiện mật độ năng lượng, mật độ năng lượng, tốc độ sạc, độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ của pin mà không yêu cầu giảm kích thước hạt từ quy mô micro xuống nano. (DOI:10.1038 / s41467-020-17233-1)

Nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng, đi kèm với đó là nhu cầu ngày càng tăng về lưới điện thông minh đảm bảo cung cấp năng lượng bền vững. Những công nghệ này và các công nghệ di động và cố định khác yêu cầu pin phù hợp. Tích trữ nhiều năng lượng nhất có thể trong không gian nhỏ nhất có thể với trọng lượng thấp nhất có thể - pin lithium-ion (LIB) vẫn đáp ứng tốt nhất yêu cầu này. Nghiên cứu nhằm mục đích cải thiện mật độ năng lượng, mật độ năng lượng, độ an toàn và vòng đời của những loại pin này. Vật liệu điện cực có tầm quan trọng lớn ở đây. Cực dương của pin lithium-ion bao gồm một bộ thu dòng điện và một vật liệu hoạt động được áp dụng cho nó để lưu trữ năng lượng dưới dạng liên kết hóa học. Trong hầu hết các trường hợp, than chì được sử dụng làm vật liệu hoạt động. Tuy nhiên, các điện cực âm làm bằng than chì có tốc độ sạc thấp. Hơn nữa, chúng có liên quan đến các vấn đề an toàn. Trong số các vật liệu hoạt động thay thế, lithium titanate oxide (LTO) đã được thương mại hóa. Điện cực âm với LTO có tốc độ sạc cao hơn và được coi là an toàn hơn so với điện cực làm bằng than chì. Hạn chế là pin lithium-ion với lithium titanate oxit có xu hướng có mật độ năng lượng thấp hơn.

Dưới đây:Hình 1:Đặc tính cấu trúc của LLTO chuẩn bị sẵn sàng.

Từ:Lithium lantan titanate perovskite làm cực dương cho pin lithium ion

một cấu trúc tinh thể giản đồ; b Tinh chế Rietveld dựa trên XRD dạng bột; c Hình ảnh HAADF diện tích lớn của LLTO perovskites dọc theo trục vùng [100]. Vạch chia độ:5 nm; d Hình ảnh HAADF-STEM của LLTO. Vạch chia độ:2 nm; hình ảnh e ABF-STEM; f Phóng đại của HAADF-STEM; g Phóng đại của ABF-STEM. Các quả bóng màu xanh lá cây, xanh lam và đỏ ở e và g lần lượt đại diện cho các nguyên tử của La, Ti và O. Nhóm nghiên cứu xung quanh Giáo sư Helmut Ehrenberg, người đứng đầu Viện Vật liệu Ứng dụng - Hệ thống Lưu trữ Năng lượng (IAM-ESS) của KIT, hiện đã nghiên cứu một vật liệu cực dương khác rất hứa hẹn:lithi lantan titanate với cấu trúc tinh thể perovskite (LLTO). Theo nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của các nhà khoa học từ Đại học Cát Lâm ở Trường Xuân (Trung Quốc) và các viện nghiên cứu khác ở Trung Quốc và Singapore, cực dương LLTO có thế điện cực thấp hơn so với cực dương LTO thương mại hóa, cho phép điện áp tế bào cao hơn. và dung lượng cao hơn.

Ehrenberg giải thích rằng điện áp của tế bào và dung lượng lưu trữ cuối cùng quyết định mật độ năng lượng của pin. “Trong tương lai, cực dương LLTO có thể được sử dụng để xây dựng các tế bào hiệu suất cao đặc biệt an toàn với vòng đời chu kỳ dài.”

Nghiên cứu đóng góp vào công việc của nền tảng nghiên cứu lưu trữ điện hóa, CELEST (Trung tâm lưu trữ năng lượng điện hóa Ulm &Karlsruhe), một trong những nền tảng nghiên cứu pin lớn nhất trên toàn thế giới, cũng bao gồm cụm công nghệ xuất sắc POLiS.

Bên cạnh mật độ năng lượng, mật độ năng lượng, độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ, tốc độ sạc là một yếu tố quyết định khác về sự phù hợp của pin đối với các ứng dụng đòi hỏi. Về nguyên tắc, dòng phóng điện tối đa và thời gian sạc tối thiểu phụ thuộc vào sự vận chuyển ion và điện tử cả trong thể rắn và tại các mặt phân cách giữa điện cực và vật liệu điện phân. Để cải thiện tốc độ sạc, thông thường người ta thường giảm kích thước hạt của vật liệu điện cực từ quy mô vi mô sang quy mô nano. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications bởi các nhà nghiên cứu KIT và các đối tác hợp tác của họ, cho thấy rằng ngay cả các hạt có kích thước vài micromet trong LLTO có cấu trúc perovskite cũng có mật độ năng lượng cao hơn và tốc độ sạc tốt hơn so với hạt nano LTO. Nhóm nghiên cứu gán điều này với cái gọi là điện dung giả của LLTO:Không chỉ các electron riêng lẻ được gắn vào vật liệu anốt này mà còn cả các ion tích điện, bị ràng buộc bởi lực yếu và có thể chuyển ngược điện tích sang cực dương. Ehrenberg giải thích:“Nhờ các hạt lớn hơn, LLTO về cơ bản cho phép các quy trình sản xuất điện cực đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí hơn”.

Xuất bản gốc (Truy cập Mở):

Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, ​​Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du:Lithium lanthanum titanate perovskite làm cực dương cho pin lithium ion. Nature Communications, 2020. DOI:10.1038 / s41467-020-17233-1

Hình ảnh nổi bật:Biểu diễn giản đồ cấu trúc tinh thể perovskite của lithi lantan titanat. (Hình minh họa:Fei Du / Đại học Cát Lâm)

Tài liệu khác:

Xuất bản trên Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1

Được sự cho phép của báo chí KIT Energy Center