Vào năm 2018, Lei Cheng, một nhà hóa học về pin tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), tình cờ tìm thấy các nghiên cứu về chất điện phân trong pin mô tả sự tồn tại của các cấu trúc hạt nano. Đây là những cụm gồm hàng chục đến hàng trăm hạt tích điện, được gọi là ion, có đường kính tổng thể lớn hơn một nanomet. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu về chất điện phân của pin đều tập trung vào các cấu trúc nhỏ hơn.
Chất điện phân là một dung dịch hóa học đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của pin. Chất điện phân chứa các ion tích điện dương có thể di chuyển qua lại giữa các điện cực dương và âm của pin.
Cheng là trưởng nhóm kỹ thuật tại Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng Chung (JCESR), một Trung tâm Đổi mới Năng lượng do Bộ Năng lượng khởi xướng và do Argonne lãnh đạo. Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng chung tập hợp hơn 150 nhà nghiên cứu từ 20 tổ chức, bao gồm các phòng thí nghiệm quốc gia, trường đại học và công ty, để thiết kế và sản xuất các vật liệu cho phép thế hệ pin tiếp theo. Những loại pin như vậy giúp cho phép chuyển đổi năng lượng đáng kể trong ô tô, lưới điện và thậm chí cả máy bay điện.
Cheng và một số nhà nghiên cứu khác của JCESR đã đồng ý rằng các tập hợp xứng đáng được nghiên cứu thêm. Xét cho cùng, nhóm nghiên cứu hoàn toàn nhận thức được rằng cấu trúc của chất điện phân có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của nó và cuối cùng là hiệu suất của pin. Ví dụ, để phát triển pin lithium-ion tốt hơn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc thêm một lượng nhỏ muối có thể làm cho chúng ổn định hơn.
"Uẩn không phải là một vấn đề lớn," Cheng nói. "Các nhà khoa học không nói quá nhiều về cách ảnh hưởng đến tính chất của chất điện phân. Đó là lý do tại sao chúng tôi quyết định bắt đầu một dự án nghiên cứu để điều tra thêm."
Từ năm 2018 đến năm 2021, các nhà nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu đã tích lũy đủ kết quả nghiên cứu để tổng hợp thành một chủ đề mới nổi rất quan trọng có khả năng tác động đáng kể đến hiệu suất của pin thế hệ tiếp theo. Để cảnh báo cộng đồng khoa học về pin, các nhà nghiên cứu đã công bố một cuộc khảo sát và phân tích các nghiên cứu tổng hợp trong Thư năng lượng của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. Bài viết này tập hợp kết quả của 60 nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu và các nhà khoa học khác.
Ảnh hưởng đến tính chất điện phân
Bài viết này khám phá cách các chất tổng hợp có tác dụng độc đáo đối với các đặc tính của chất điện phân, bao gồm độ ổn định và vận chuyển ion.
Độ ổn định ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh chính của hiệu suất pin. Chúng bao gồm tuổi thọ (số chu kỳ phóng điện), an toàn, mật độ năng lượng và tốc độ phóng điện. Ví dụ: chất điện ly không bền dễ bị phân hủy. Điều này có thể làm giảm tuổi thọ của pin và dẫn đến các vấn đề về an toàn.
Vận chuyển ion đề cập đến tốc độ mà các ion di chuyển qua chất điện phân. Đặc điểm này có thể ảnh hưởng đến tốc độ phóng điện của pin. Vận chuyển ion nhanh có thể cho phép xe điện sạc nhanh hơn, đồng thời cho phép pin quy mô lưới phóng điện nhanh hơn. Một lợi ích tiềm năng khác là cải thiện hiệu suất của chất điện phân làm từ polyme cao phân tử. Chất điện phân này an toàn hơn chất điện phân lỏng.
Tổng hợp chất điện phân có thể có tác động thuận lợi hoặc bất lợi đối với hiệu suất của pin. Do đó, cốt liệu có thể làm chậm hoặc tăng tốc độ vận chuyển ion.
Larry Curtiss, một nhà hóa học Argonne giàu kinh nghiệm và là một trong những tác giả của bài báo, cho biết: "Mục tiêu quan trọng của nghiên cứu là tìm ra khi nào các chất tổng hợp có lợi và khi nào thì không. Có lẽ nên loại bỏ các tác động có hại khỏi chất điện phân."
Một tác dụng có lợi đã biết của cốt liệu xảy ra trong pin lithium-oxy. Thế hệ pin mới hoạt động bằng cách đưa oxy đến cực âm thông qua chất điện phân. Các cốt liệu phản ứng với lithium để tạo thành lithium peroxide. So với pin lithium-ion, pin lithium-oxy có mật độ năng lượng cao hơn và có tiềm năng được sử dụng cho vận tải đường dài và vận tải hàng không. Thông qua mô phỏng, Curtiss và các nhà nghiên cứu khác đã kết luận rằng cốt liệu có thể cải thiện quá trình vận chuyển oxy và phản ứng ở bề mặt catholyte. Tuy nhiên, không rõ tại sao những hiện tượng này xảy ra.
“Đây là một lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai,” Curtiss nói.
Hình thành cốt liệu
Sự hình thành của uẩn không được hiểu đầy đủ. Các nhà nghiên cứu tin rằng điều này phụ thuộc vào cường độ của các tương tác khác nhau giữa các ion và phân tử dung môi trong chất điện phân. Dung môi là chất có khả năng hòa tan các chất khác.
"Nếu ion phản ứng yếu với các phân tử dung môi, bạn có thể nhận được các cấu trúc nhỏ hơn, chẳng hạn như các cặp ion. Nếu tương tác ion-ion mạnh, bạn có thể nhận được các tập hợp," Curtiss nói.
"Không có lý thuyết hoàn chỉnh và thống nhất đằng sau sự hình thành tổng hợp," Cheng nói. "Chúng tôi cũng cần biết những tham số nào cần điều chỉnh để điều khiển sự hình thành và cấu trúc tổng hợp."
Còn nhiều lỗ hổng kiến thức và nhu cầu nghiên cứu
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu tổng hợp đều tập trung vào pin Li-ion. Tuy nhiên, các chất điện phân được sử dụng trong pin lithium-ion, chẳng hạn như etylen cacbonat, propylen cacbonat, v.v., không tương thích với nhiều vật liệu điện cực cho pin thế hệ tiếp theo đang được phát triển. Bao gồm pin lithium-oxy và pin lithium-lưu huỳnh. Khi các nhà nghiên cứu phát triển các chất điện phân thay thế cho các loại pin tiên tiến này, họ cần tiến hành nhiều nghiên cứu hơn về tác động của các chất tổng hợp.
Hơn nữa, hầu hết các nghiên cứu về cốt liệu chỉ kiểm tra tác động của chúng đối với chất điện phân. Curtiss cho biết: “Nghiên cứu về cách các chất tổng hợp ảnh hưởng đến bề mặt điện cực-chất điện phân còn rất thưa thớt, nhưng nó rất quan trọng đối với hiệu suất của pin. "Chúng tôi không hiểu làm thế nào các tập hợp ảnh hưởng đến sự vận chuyển ion ở giao diện. Chúng tôi cũng không rõ liệu các tập hợp có khiến các electron rò rỉ ra khỏi cực âm và phá hủy chất điện phân hay không."
Cheng cho biết: “Một lỗ hổng kiến thức lớn là cách các khối tự lắp ráp trên bề mặt và điều đó ảnh hưởng đến việc vận chuyển điện tích như thế nào.
Cheng cũng nói thêm rằng chúng tôi cần phát triển các công cụ mô tả đặc tính thử nghiệm mới dành riêng cho các giao diện này. Các công cụ quang phổ có thể được yêu cầu để ghi lại thành phần và cấu trúc của vật liệu. Công nghệ tia X nâng cao, chẳng hạn như công nghệ đang được phát triển tại Nguồn Photon nâng cao Argonne, có thể giúp phát hiện sự hiện diện của các tập hợp và ghi lại cách chúng được tạo thành cũng như cách chúng thay đổi theo thời gian.
Một lĩnh vực nghiên cứu tích cực đang được cải thiện các phương pháp tính toán và mô phỏng để mô tả chính xác các tương tác phức tạp giữa các tập hợp và các ion và phân tử. Học máy có thể thu thập lượng dữ liệu khổng lồ từ những tương tác này.
Cheng, Curtiss và các nhà nghiên cứu khác tại Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng chung có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu về một số tập hợp. Một lĩnh vực nghiên cứu đang được tiến hành liên quan đến các ion khác nhau và các nguyên tố khác để hiểu rõ hơn về sự hình thành cốt liệu. Các nhà nghiên cứu Argonne có kế hoạch tiếp tục công việc của họ với Đại học Illinois Urbana-Champaign để nghiên cứu tác động của các chất kết tụ tại giao diện điện cực.
Thật thú vị, sự hình thành của các tập hợp không phải là duy nhất đối với chất điện phân pin. Cốt liệu có thể đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất vật liệu trong các ngành công nghiệp khác như dược phẩm. Những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu tổng hợp cho quá trình điện phân pin cũng sẽ mang lại lợi ích cho các quy trình khác.