Chiến lược tái sinh lithium “chết” bên trong các pin
Các pin li-ion và những công nghệ về pin chứa lithium mới nổi khác hiện thường được sử dụng để cấp điện cho rất nhiều dạng thiết bị, bao gồm điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng và máy quay phim. Bất chấp những tiên tiến hiện nay, các loại pin chứa lithium không phải bao giờ cũng giữ được hiệu suất cấp điện theo thời gian.
Một trong những nguyên nhân chính cho việc giảm hiệu suất được quan sát trong các pin chứa lithium là phần lithium chứa bên trong chúng thi thoảng rơi vào trạng thái không hoạt động, nói cách khác là “chết”. “Cái chết” này của lithium có thể là nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm dung lượng pin và làm pin thoát nhiệt, điều này cuối cùng có thể làm ảnh hưởng đến tuổi thọ pin và làm giảm hiệu suất hoạt động của nó.
Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Công nghệ Chiết Giang, Trung Quốc và Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Argonne gần đây đã nghĩ ra một chiến lược để phục hồi lithium “chết” trong các cực dương kim loại Li. Chiến lược này được phác họa trong một bài báo xuất bản trên Nature Energy, nó được đặt trên cơ sở một phản ứng hóa học có tên gọi là phản ứng ô xi hóa I ốt (iodine redox).
Lớp điện ly rắn giao pha (the solid-electrolyte interphase SEI) là một lớp được tạo ra trên cực âm các pin lithium-ion trong suốt vài chu kỳ xạc đầu tiên. Lớp làm chậm phản ứng (ăn mòn) này đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất, sự ổn định và an toàn của pin.
Trong một tế bào pin Li-ion cụ thể với một cực âm chì thông thường, lớp điện ly rắn giao pha SEI thường bao gồm cả LiF, kết hợp với Li2CO3, alkyl carbonate và những hợp chất khác. Những nghiên cứu gần đây đã chứng tỏ là trong những pin có một cực dương kim loại Li, lớp điện ly rắn gia pha chủ yếu được tạo thành Li2O, hơn là LiF. Trong những chiếc pin đó, sự biến đổi về thể tích trong lớp mạ Li có thể ảnh hưởng đến sự toàn vẹn về cơ chế và vai trò thụ động của SEI chứa Li2O. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành của “lithium chết”.
Những nghiên cứu trước đây đã đề xuất một số chiến lược cải thiện hiệu suất của pin với các cực âm kim loại Li. Ví dụ, một số các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng các cấu trúc SEI nhân tạo hoặc các phụ gia điện ly được SEI điều chỉnh, như cesium hexafluorophosphate hoặc fluoroethylene carbonate. Tuy nhiên, họ phát hiện ra là sự biến đổi thể tích của lớp mạ Li là nguyên nhân dẫn đến việc phá vỡ lớp SEI, làm phơi lộ lithium với chất điện ly và dẫn đến việc hình thành một dạng SEI mới. Sự phá hủy và sửa chữa lớp SEI này có thể tác động đến hiệu suất của pin theo thời gian.
Trong công trình của mình, Chengbin Jin và đồng nghiệp tại trường đại học Chiết Giang và Argonne cố gắng định lượng Li2O trong lớp SEI được hình thanh trên các cực dương Li. Thêm vào đó, họ tìm thấy vai trò của SEI “chết” trong việc tạo ra kim loại Li “chết”.
“Cần có một giải pháp cơ bản có thể phục hồi lithium đã ‘chết’ để giúp các pin lithium kim loại bền hơn”, các nhà nghiên cứu viết như vậy trong bài báo. “Chúng tôi xác định số lượng các hợp phần SEI và xác định sự liên quan của chúng với việc hình thành kim loại lithium chết bị cách ly về điện năng”.
Phát hiện của Jin và cộng sự đề xuất là việc mất Li trong SEI và các mảnh Li chết là nguyên hân chính dẫn đến việc phân rã hiệu suất thường được quan sát trong các pin kim loại Li. Quan sát này truyền cảm hứng cho họ tạo ra một phương pháp để phục hồi lithium chết, sử dụng phản ứng ô xi hóa khử i ốt. “Chúng tôi trình bày một phương pháp phục hồi lithium trên cơ sở một loạt phản ứng ô xi hóa khử i ốt, chủ yếu bao gồm I3 −/I−“, các nhà nghiên cứu giải thích trong công trình của mình. “Việc sử dụng một vật chủ dạng viên nang than sinh học cho iodine, chúng tôi chứng tỏ là ô xi hóa khử I3 −/I− được thực hiện tại chỗ một cách tự phát, qua đó làm tái sinh lithium ‘chết’ một cách hiệu quả để bù đắp lượng lithium bị mất đi”.
Việc sử dụng chiến lược thiết kế được họ phát triển đó giúp Jin và cộng sự đã tạo ra được một loại pin đầy đủ với rất ít lithium ở cực dương. Loại pin này có một tuổi thọ đáng ngạc nhiên với 1.000 lần sạc và đạt hiệu suất Coloumb cao tới 99,9%.
Để đánh giá hiệu quả của chiến lược phục hồi Li của mình, các nhà nghiên cứu đa kết hợp cực âm này với các cực âm thương mại hóa trên thị trường (ví dụ, LiFePO4 và LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) và tạo ra một quả pin bỏ túi. Cái pin này đạt những hiệu quả rất hứa hẹn, về cả tuổi thọ và hiệu suất.
Trong tương lai, chiến lược do nhóm các nhà nghiên cứu này đưa ra có thể đem lại thông tin về sự phát triển của các loại pin mới, hiệu suất tốt hơn với cực dương kim loại Li. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ chu kỳ của các pin Li-ion hiện có và các công nghệ pin chứa Li khác.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://techxplore.com/news/2021-04-strategy-rejuvenate-dead-lithium-batteries.html
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00789-7
