Được xuất bản lần đầu trên Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Department of Energy National Labs, SLAC, Stanford Education News

Thêm polyme và chất chống cháy vào các bộ thu dòng của pin giúp pin nhẹ hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn khoảng 20%. Menlo Park, Calif . - Trong một cách tiếp cận hoàn toàn mới để làm cho pin lithium-ion nhẹ hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn, các nhà khoa học tại Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng đã tái cấu trúc một trong những thành phần pin nặng nhất - các tấm lá đồng hoặc nhôm được gọi là hiện tại thu gom - vì vậy chúng có trọng lượng nhẹ hơn 80% và dập tắt ngay lập tức mọi đám cháy bùng lên.

Các nhà nghiên cứu cho biết, nếu được thông qua, công nghệ này có thể giải quyết hai mục tiêu chính của nghiên cứu pin:mở rộng phạm vi lái xe điện và giảm nguy cơ máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị khác bốc cháy. Điều này đặc biệt quan trọng khi pin được sạc siêu nhanh, tạo ra nhiều dạng hư hỏng pin có thể dẫn đến hỏa hoạn.

Nhóm nghiên cứu đã mô tả công việc của họ trong Năng lượng tự nhiên hôm nay.

Yi Cui, giáo sư tại SLAC và Stanford, đồng thời là điều tra viên của Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES ) người dẫn đầu cuộc nghiên cứu.

“Nhưng trong nghiên cứu của chúng tôi, việc làm cho bộ thu nhẹ hơn 80% đã làm tăng mật độ năng lượng của pin lithium-ion - lượng năng lượng mà chúng có thể lưu trữ trong một trọng lượng nhất định - lên 16-26%. Đó là một bước nhảy vọt so với mức tăng trung bình 3% đạt được trong những năm gần đây. ”

Các nhà khoa học tại Stanford và SLAC đã thiết kế lại các dây dẫn dòng điện - các lá kim loại mỏng phân phối dòng điện đến và đi từ các điện cực - để làm cho pin lithium-ion nhẹ hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn. Họ đã thay thế dây dẫn hoàn toàn bằng đồng, ở giữa, bằng một lớp polyme nhẹ được phủ trong đồng siêu mỏng (trên cùng bên phải) và nhúng chất chống cháy trong lớp polyme để dập tắt ngọn lửa (dưới cùng bên phải). (Yusheng Ye / Đại học Stanford)

Đệ tìm cách giảm cân một cách rõ ràng

Cho dù chúng ở dạng xi lanh hay túi, pin lithium-ion có hai bộ thu dòng, một bộ cho mỗi điện cực. Chúng phân phối dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi điện cực và chiếm từ 15% đến nhiều nhất là 50% trọng lượng của một số pin công suất cao hoặc siêu mỏng. Bản thân việc cạo bớt trọng lượng của pin là điều mong muốn, cho phép các thiết bị nhẹ hơn và giảm khối lượng xe điện phải vận chuyển; tích trữ nhiều năng lượng hơn cho mỗi trọng lượng nhất định cho phép cả thiết bị và xe điện chạy lâu hơn giữa các lần sạc.

Cui nói, giảm trọng lượng và tính dễ cháy của pin cũng có thể có tác động lớn đến việc tái chế bằng cách làm cho việc vận chuyển pin tái chế trở nên ít tốn kém hơn.

Các nhà nghiên cứu trong ngành công nghiệp pin đã cố gắng giảm trọng lượng của các bộ thu dòng điện bằng cách làm cho chúng mỏng hơn hoặc xốp hơn, nhưng những nỗ lực này đã có những tác dụng phụ không mong muốn, chẳng hạn như làm cho pin dễ hỏng hơn hoặc không ổn định về mặt hóa học hoặc yêu cầu nhiều chất điện phân hơn, làm tăng chi phí , Yusheng Ye, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Cui, người đã thực hiện các thí nghiệm cùng với học giả Lien-Yang Chou đến thăm.

Về vấn đề an toàn, ông nói:“Mọi người cũng đã thử thêm chất chống cháy vào chất điện phân của pin, đây là phần dễ cháy, nhưng bạn chỉ có thể thêm nhiều như vậy trước khi nó trở nên nhớt và không còn dẫn điện tốt nữa.”

Bộ thu dòng được thiết kế lại cho pin lithium-ion giúp pin nhẹ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và an toàn hơn. Nó cũng có thể cắt giảm chi phí bằng cách thay thế đồng bằng polyme rẻ hơn và bằng cách giảm chi phí vận chuyển pin để tái chế. (Greg Stewart / Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC)

Thiết kế bánh sandwich lá polyme

Sau khi suy nghĩ về vấn đề, Cui, Ye và nghiên cứu sinh Yayuan Liu đã thiết kế các thí nghiệm để chế tạo và thử nghiệm các bộ thu dòng điện dựa trên một loại polyme nhẹ gọi là polyimide, có khả năng chống cháy và chịu được nhiệt độ cao do sạc pin nhanh tạo ra. Chất chống cháy - triphenyl photphat, hoặc TPP - được nhúng vào polyme, sau đó được phủ lên cả hai bề mặt một lớp đồng siêu mỏng. Đồng sẽ không chỉ thực hiện công việc thông thường của nó là phân phối dòng điện mà còn bảo vệ polyme và chất chống cháy của nó.

Ye cho biết, những thay đổi đó đã giảm trọng lượng của bộ thu dòng điện xuống 80% so với các phiên bản ngày nay, điều này dẫn đến mật độ năng lượng tăng 16-26% trong các loại pin khác nhau và nó dẫn dòng điện tốt như các bộ thu điện thông thường. suy thoái.

Khi tiếp xúc với ngọn lửa trần, pin dạng túi lithium-ion được sản xuất bằng bộ thu dòng điện thương mại ngày nay (hàng trên cùng) bắt lửa và cháy mạnh cho đến khi tất cả chất điện phân cháy hết. Pin có bộ thu nạp chống cháy mới (hàng dưới) tạo ra ngọn lửa yếu và tắt trong vòng vài giây và không bùng phát trở lại ngay cả khi các nhà khoa học cố gắng thắp sáng lại chúng. (Yusheng Ye / Đại học Stanford)

Ye cho biết, khi tiếp xúc với ngọn lửa trần từ một chiếc bật lửa, pin dạng túi làm bằng bộ thu dòng điện thương mại ngày nay đã bốc cháy và bùng cháy mạnh mẽ cho đến khi tất cả chất điện phân cháy hết. Nhưng trong pin có bộ thu chống cháy mới, ngọn lửa không bao giờ thực sự bùng phát, tạo ra ngọn lửa rất yếu và tắt trong vòng vài giây và không bùng lên nữa ngay cả khi các nhà khoa học cố gắng thắp sáng lại.

Cui cho biết một trong những ưu điểm lớn của phương pháp này là bộ sưu tập mới phải dễ sản xuất và giá thành cũng rẻ hơn, vì nó thay thế một số đồng bằng một loại polymer rẻ tiền. Vì vậy, mở rộng quy mô nó để sản xuất thương mại, ông nói, "rất có thể làm được." Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế thông qua Stanford và Cui cho biết họ sẽ liên hệ với các nhà sản xuất pin để khám phá các khả năng.

Công việc này được hỗ trợ bởi Văn phòng Tiết kiệm Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, Văn phòng Công nghệ Xe cộ của DOE trong chương trình Đánh giá Tế bào Sạc Nhanh eXtreme của Pin Lithium-ion (XCEL).

Trích dẫn: Yusheng Ye và cộng sự, Năng lượng tự nhiên , Ngày 15 tháng 10 năm 2020 (10.1038 / s41560-020-00702-8)

SLAC là một phòng thí nghiệm đa chương trình sôi động khám phá cách vũ trụ hoạt động ở quy mô lớn nhất, nhỏ nhất và nhanh nhất, đồng thời phát minh ra các công cụ mạnh mẽ được các nhà khoa học trên toàn cầu sử dụng. Với nghiên cứu bao gồm vật lý hạt, vật lý thiên văn và vũ trụ học, vật liệu, hóa học, khoa học sinh học và năng lượng và máy tính khoa học, chúng tôi giúp giải quyết các vấn đề trong thế giới thực và thúc đẩy lợi ích của quốc gia.

SLAC được điều hành bởi Đại học Stanford cho Hoa Kỳ Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng . Văn phòng Khoa học là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta.

Hình ảnh do SLAC, Stanford Education News cung cấp