Tìm thấy nguồn gốc của sự phát triển dendrite ở pin lithium-kim loại

Ba nhà tiên phong của pin lithium đã cùng chia sẻ Giải thưởng Nobel Hóa học 2019, thế nhưng sau bốn thập niên nghiên cứu, việc triển khai pin không phải là không gặp trở ngại gì. Lithium-kim loại, một vật liệu anode lí tưởng vì mật độ năng lượng cao của nó, đã được dùng trong các nguyên mẫu pin lithium ra đời sớm nhất. Tuy nhiên, thiết kế này đã bị bỏ xó bởi nó không vượt qua được các vấn đề an toàn. Các cấu trúc dạng cây phân nhánh gọi là dendrite hình thành xung quanh anode, dẫn tới ngắn mạch và cạn kiệt chất điện phân.

Nay các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, dưới sự chỉ đạo của Chongmin Wang, đã sải những bước dài trong việc tìm hiểu sự hình thành dendrite lithium. Sử dụng các nghiên cứu trực tiếp về sự phát triển dendrite, họ đã thu được những thông tin giá trị cho việc phát triển pin lithium an toàn.

Chongmin Wang (trái), Wu Xu (giữa) và Yang He (phải)

Chongmin Wang (trái), Wu Xu (giữa) và Yang He (phải) cùng với kính hiển vi điện tử truyền qua môi trường cải tiến của họ. Ảnh: Andrea Starr

Trong hoạt động của pin, anode phản ứng với chất điện phân xung quanh tạo thành một lớp trung gian điện phân rắn xốp bao lấy nó. Tính chất của lớp trung gian có tác động mạnh đối với sự hình thành và hình thái dendrite lithium. Wang và các đồng sự đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi lực nguyên tử để theo dõi sự phát triển dendrite dưới các điều kiện môi trường và ứng suất ngoài khác nhau. Họ phát hiện thấy sự hình thành dendrite bị kiềm chế bởi độ dẫn ion. Các ion lithium ít bị lắng đọng thành dendrite hơn nếu lớp trung gian dẫn ion thật nhanh.

“Chuyển động chậm của các ion trong lớp trung gian dẫn tới sự lắng đọng định xứ và sau đó lớn lên theo hình cây,” Wang nói. “Công trình của chúng tôi chứng minh trực tiếp mối tương liên giữa hình thái dendrite và môi trường phát triển của nó.”

Các quan sát thời gian thực này được tiến hành trong môi trường khí, nhưng pin và acquy thực tế sử dụng chất điện phân lỏng. Các nhà nghiên cứu đã xác thực giả thuyết độ dẫn ion của họ trong các pin lỏng như thế. Khi họ “làm nhiễm độc” chất điện phân hữu cơ lỏng bằng athylene carbonate, lớp trung gian điện phân rắn thu được có độ dẫn ion thấp hơn, và họ lại quan sát thấy sự hình thành dendrite.

Wang và các đồng sự đề xuất hai chiến lược làm tăng mức an toàn của các pin lithium-kim loại. Trước tiên là xử lí chất điện phân sao cho chỉ những sản phẩm phân li với độ linh động ion cao mới được hình thành trong lớp trung gian điện phân rắn. Thứ hai là sử dụng một hàng rào cứng để ngăn cản sự vươn dài của các dendrite.

Đội nghiên cứu đã lên kế hoạch tiếp tục tối ưu hóa tính chất hóa học của chất điện phân để giải bài toán dendrite một lần cho mãi mãi. Tuy nhiên, họ thừa nhận rằng việc hiện thực hóa pin sạc lithium-kim loại thì phức tạp hơn nhiều so với việc loại trừ vấn đề dendrite.

“Pin lithium là một hệ thống và mọi thành phần của nó đều phụ thuộc lẫn nhau,” phát biểu của Yang He, một thành viên đội. “Việc biến đổi chất điện phân để ngăn cản sự phát triển dendrite có thể tình cờ làm thay đổi các khía cạnh khác của pin, ví như các tương tác cathode-chất điện phân. Song công trình của chúng tôi đem lại một chỉ dẫn để sàng lọc các công thức chất điện phân khác nhau.”

Ngăn ngừa sự phát triển dendrite sẽ là một bước ý nghĩa hướng tới việc khai thác mật độ năng lượng đầy đủ và năng suất của lithium nguyên chất, nhằm hiện thực hóa pin xanh, hiệu quả, và quan trọng hơn hết thảy, an toàn hơn.

Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

Đọc nhiều trong tháng

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com