Chất phụ gia cesium nitrate giúp pin lithium kim loại sạc nhanh hơn

Một chất phụ gia điện phân mới có thể làm tăng tốc độ sạc của pin lithium kim loại, dẫn đến những khám phá mới về hoạt động điện hóa của pin.

Với sứ mệnh chế tạo pin xe điện tốt hơn, các nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thêm chất phụ gia cesium nitrate (CsNO₃) vào lớp màng điện phân phân tách giữa cực dương và cực âm để cải thiện chức năng của pin lithium kim loại. Kết quả công bố trên tạp chí Nature Communications cho thấy, cesium nitrate có thể cải thiện đáng kể tốc độ sạc của pin trong khi vẫn duy trì tuổi thọ pin.

Enyuan Hu, nhà hóa học ở phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) và là người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, cho biết họ đang cố gắng chế tạo một loại pin với mật độ năng lượng 500 Wh/kg – lớn gấp đôi mật độ năng lượng của pin hiện đại ngày nay. Pin lithium-ion không thể đạt được mật độ năng lượng này, vì vậy, các nhà khoa học cần chuyển sang sử dụng pin lithium kim loại. Những loại pin này sở hữu cực dương thuần kim loại lithium thay vì cực dương than chì như trong pin lithium-ion. Tuy nhiên, để có được loại pin này cần giải quyết rất nhiều thách thức. Nghiên cứu này đã giải quyết một trong những thách thức này: tạo ra sự cân bằng giữa tốc độ sạc và tuổi thọ pin.

Vì các chất điện phân cho phép sạc nhanh cũng có thể phản ứng với cực dương kim loại lithium của pin, nên nếu các phản ứng hóa học này không được kiểm soát, chúng sẽ làm phân hủy chất điện phân và làm giảm tuổi thọ của pin. Để ngăn chặn điều này, các nhà hóa học đã tìm cách can thiệp vào lớp giao pha (interphase) ngăn cách giữa các điện cực.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cực dương kim loại có thể được ổn định bằng chất phụ gia caesium (Cs). Nhưng để tăng tốc độ sạc trong khi vẫn duy trì tuổi thọ chu kỳ pin, cực dương và cực âm cần được ổn định đồng thời. Các nhà khoa học Mỹ tin rằng cesium nitrate có thể làm được điều đó. Họ đặt ra giả thuyết, ion cesium dương (Cs⁺) sẽ tích lũy ở phía cực dương kim loại, trong khi ion nitrate âm (NO3^–) sẽ tích tụ trên cực âm.

Để hiểu rõ hơn về cách phụ gia cesium nitrate ảnh hưởng đến thành phần chất điện phân và hiệu suất của pin, các nhà hóa học đã mang pin mới đến cơ sở thí nghiệm NSLS-II, một trong những nơi có nguồn sáng tia X tiên tiến nhất thế giới, để kiểm tra vật liệu của mình. Họ dùng 4/29 chùm tia hoạt động tại NSLS-II nhằm phục vụ cho công việc nghiên cứu.

Đầu tiên là chùm tia nhiễu bột tia X (XPD) có khả năng xuyên qua vật liệu dày. Nhờ cường độ cao, chúng cho phép thu thập dữ liệu nhanh chóng để chụp ảnh “snapshot” của các lớp điện phân giao pha. Chúng cũng có khả năng hấp thụ thấp và không làm hỏng các mẫu giao pha, do vậy các nhà nghiên cứu đã dùng chùm tia XPD để kiểm tra hơn 1.000 mẫu giao pha.

Vì trên các lớp giao pha có cả những nguyên tử tinh thể xếp gọn gàng và cả thành phần vô định hình không xếp theo thứ tự, nên khi dùng chùm tia XPD, các nhà khoa học có thể tiến hành đồng thời hai kỹ thuật là nhiễu xạ tia X thường (XRD) và phân tích hàm phân phối cặp (PDF) để phân tích mỗi loại thành phần.

“Chúng tôi gọi đây là phương pháp kết hợp tổng tán xạ”, đồng tác giả bài báo Sanjit Ghose giải thích. “Những kỹ thuật này đặc biệt độc đáo vì chúng có thể mô tả cấu trúc của các chất hóa học một cách đáng tin cậy – ngay cả khi chúng chỉ xuất hiện với lượng nhỏ. Điều này rất cần thiết trong nghiên cứu pin.” Họ phát hiện ra rằng phụ gia cesium nitrate đã làm tăng sự hiện diện của các thành phần làm cho lớp giao pha kiên cố hơn.

Dữ liệu XRD cũng cho một kết quả bất ngờ khác: Ngoài các thành phần tinh thể điển hình, xuất hiện một hợp chất gọi là cesium bis(fluorosulfonyl)aimide [CsF₂HNO₄S₂] trên lớp giao pha chưa từng báo cáo trước đây.

Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên hơn cả là sự thiếu vắng của lithium fluoride (LiF) trên lớp giao pha. Nói chung, các nhà khoa học nghiên cứu pin thường coi LiF là thành phần cần thiết của một lớp giao pha tốt. Trên thực tế, sự hiện diện phong phú của LiF thường được dùng để giải thích hiệu suất ấn tượng của pin lithium kim loại. Tuy nhiên, Rahman và Hu rất ngạc nhiên bởi LiF vắng mặt trong lớp giao pha của họ. Họ không biết tại sao chúng không có ở đấy, nhưng lớp giao pha không chứa LiF này cho phép pin của họ có vòng đời dài hơn và sạc nhanh hơn. Điều này truyền cảm hứng cho nhóm nghiên cứu xem xét lại sự hiểu biết về lớp giao pha.

Ngoài ra, các nhà khoa học cũng dùng chùm tia X phân giải submicron (SRX) để phân tích định lượng các nguyên tố hóa học khác nhau phân bố trên hai điện cực và các lớp giao pha. Họ dùng một kỹ thuật quét siêu nhạy gọi là XRF và quan sát thấy có nhiều cesium xuất hiện ở lớp giao pha cạnh cực dương hơn so với ở lớp giao pha cạnh cực âm. Khi quét sâu hơn, các nhà khoa học khám phá rằng phụ gia cesium nitrate ngăn chặn kim loại chuyển tiếp ở cực âm bị phân hủy. Điều này góp phần tạo ra sự ổn định tổng thể cho cực âm và cả pin lithium kim loại.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng dùng các chùm tia X hấp thụ nhanh và tán xạ (QAS) và các chùm tia X mềm đo mẫu tại chỗ và trong khi hoạt động (IOS) để xác minh rằng cesium (Cs⁺) tích lũy trên cực dương kim loại và nitrate (NO3^–) tích lũy trên cực âm. Các kỹ thuật tiên tiến đều cung cấp phân tích chi tiết về trạng thái hóa học và điện tử của các nguyên tử có mặt tại mỗi điện cực. Nhìn chung, nhóm nghiên cứu khẳng định rằng khi thêm phụ gia cesium nitrate, cực âm đã được ổn định.

Nhưng các phân tích vẫn chưa dừng lại ở đấy. Nhóm nghiên cứu cũng phải kiểm tra xem cực dương kim loại lithium có ổn định hay không khi dùng phụ gia cesium nitrate. Vì vậy, họ đã mang pin đến cơ sở tổng hợp và mô tả vật liệu tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng (CFN) thuộc Phòng thí nghiệm Brookhaven để sử dụng kính hiển vi điện tử quét. Các hình ảnh kính hiển vi thu được cho thấy lithium được hình thành bởi các phản ứng điện hóa lắng đọng đồng đều khi cesium nitrate được thêm vào chất điện phân, do đó góp phần ổn định điện cực và củng cố lợi ích của chất phụ gia này.

Rahman nói rằng còn rất nhiều việc phải làm phía trước, nhưng nghiên cứu của họ đã tạo ra cơ hội mới cho việc chỉnh sửa lớp giao pha. Họ hy vọng các nhóm nghiên cứu khác có thể xem xét các lớp giao pha khác nhau để đẩy nhanh sự phát triển của pin lithium kim loại.

Trang Linh lược dịch

Nguồn: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121622

___________________________________________________

BOX: Sự khác biệt giữa pin Lithium-ion và pin Lithium-kim loại.