Gần đây, nhóm của Giáo sư Zhang Qiang từ Khoa Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Thanh Hoa đã công bố kết quả nghiên cứu về thiết kế cấu trúc giao diện khối/bề mặt của vật liệu catốt dựa trên mangan giàu lithium cho pin lithium kim loại ở trạng thái rắn. Họ đã đề xuất chiến lược điều chỉnh cấu trúc giao diện bề mặt/khối khối tại chỗ, xây dựng con đường Li+/e− nhanh và ổn định, đồng thời thúc đẩy ứng dụng thực tế của vật liệu catốt gốc mangan giàu lithium trong pin lithium ở trạng thái rắn.
Pin đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hiện đại và đã đạt được thành công lớn trong các thiết bị điện tử cầm tay, xe điện và các ứng dụng lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện. Tuy nhiên, trong khi nâng cao mật độ năng lượng của pin thì việc đảm bảo an toàn cho pin mới là điều quan trọng. Với sự tăng trưởng nhanh chóng của nhu cầu cải thiện mật độ năng lượng của pin, công nghệ pin lithium-ion truyền thống dựa trên vật liệu catốt truyền thống và chất điện phân hữu cơ đã gặp phải những trở ngại kỹ thuật về độ ổn định chu kỳ dài hạn, phạm vi nhiệt độ rộng và độ an toàn. So với pin lithium-ion truyền thống, pin lithium thể rắn có thể vượt qua giới hạn mật độ năng lượng cao hơn. Do mật độ năng lượng tuyệt vời và đặc tính an toàn, nó cũng đã trở thành công nghệ pin thế hệ tiếp theo hứa hẹn nhất. Mặc dù vậy, vật liệu catốt cổ điển hiện không thể đáp ứng các yêu cầu về mật độ năng lượng cao và an toàn của pin lithium thể rắn. Vật liệu catốt dựa trên mangan giàu lithium đã trở thành vật liệu catốt hứa hẹn nhất cho pin lithium ở trạng thái rắn do công suất phóng điện riêng của chúng Lớn hơn hoặc bằng 250 mAh/g, mật độ năng lượng Lớn hơn hoặc bằng 1000 Wh/kg và hàm lượng Co, Ni thấp.
Tuy nhiên, do độ dẫn điện tử thấp và phản ứng oxy hóa khử không thể đảo ngược rõ ràng, cấu trúc giao diện bị suy giảm nghiêm trọng, khiến hoạt động động học của vật liệu catốt dựa trên mangan giàu lithium trong quá trình tích điện và phóng điện bị suy giảm. Hiện tượng thoát oxy làm trầm trọng thêm hành vi lỗi giao diện này, dẫn đến sự phân hủy oxy hóa của chất điện phân, từ đó phá hủy sự ổn định giao diện giữa vật liệu catốt và chất điện phân giàu mangan.
Việc xây dựng và duy trì đường truyền Li+ và e− ổn định cho pin ở trạng thái hoạt động là điều kiện tiên quyết để thúc đẩy chu kỳ dài của pin toàn thể rắn trong điều kiện thực tế. Nhóm nghiên cứu có thể xây dựng đường dẫn Li+/e− ổn định và nhanh chóng tại chỗ ở bề mặt phân cách vật liệu catốt/chất điện phân rắn bằng cách điều chỉnh cấu trúc giao diện khối/bề mặt và thiết kế cải tiến, thúc đẩy hoạt động phản ứng oxi hóa khử của oxy anion và tăng cường khả năng thuận nghịch của phản ứng oxi hóa khử của oxy anion trên bề mặt vật liệu catốt của pin lithium ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng, từ đó ổn định giao diện rắn-rắn điện áp cao.
Hình 1. Sơ đồ sửa đổi chiến lược thiết kế cấu trúc giao diện khối/bề mặt của vật liệu catốt giàu mangan
Nghiên cứu này đề xuất chiến lược tổng hợp một bước để tối ưu hóa cấu trúc giao diện khối/bề mặt của vật liệu catốt dựa trên mangan giàu lithium và tạo ra vật liệu catốt dựa trên mangan giàu lithium (5W&LRMO) với cấu trúc nhúng khối, pha tạp W và Lớp phủ bề mặt Li2WO4. Cấu trúc này giúp tăng cường độ ổn định cấu trúc khối của vật liệu catốt gốc mangan giàu lithium, cải thiện động học chuyển giao của Li+/e− và tăng cường đáng kể hoạt động oxy hóa khử của các cation kim loại chuyển tiếp và oxy anion. Đạt được sự bù điện tích của các phản ứng oxi hóa khử oxy anion trong quá trình tích điện và phóng điện, từ đó thúc đẩy khả năng thuận nghịch của các phản ứng oxy hóa khử ion oxy trên bề mặt vật liệu catốt giàu mangan giàu lithium và ổn định giao diện rắn-rắn điện áp cao. Giao diện được tối ưu hóa đảm bảo độ ổn định sạc và phóng điện trong dải điện áp cao và duy trì động học chuyển Li+/e− hiệu quả trong thời gian chu kỳ dài, từ đó cải thiện tốc độ sử dụng các hoạt chất trong vật liệu catốt tổng hợp.
Hình 2. Sự phát triển động học vận chuyển Li+ bề mặt của vật liệu catốt giàu mangan trong quá trình tích điện và phóng điện đầu tiên
Nghiên cứu này tiết lộ quá trình phát triển trở kháng của giao diện giữa cực âm gốc mangan giàu lithium và chất điện phân bằng thử nghiệm quang phổ trở kháng tại chỗ (EIS) kết hợp với phân tích thời gian thư giãn (DRT). Phương pháp đề xuất cho phép trực quan hóa quá trình phát triển giao diện trong lần sạc và xả đầu tiên cũng như quá trình chu kỳ dài. Nghiên cứu hiểu sâu sắc về sự phát triển cấu trúc bề mặt giữa vật liệu catốt gốc mangan giàu lithium và chất điện phân trước và sau khi biến tính. Người ta phát hiện ra rằng vật liệu catốt gốc mangan giàu lithium trước khi biến tính thể hiện phản ứng oxy hóa khử anion oxy không thể đảo ngược ở điện áp cao, tiếp tục oxy hóa giao diện cực âm và chất điện phân, dẫn đến tăng trở kháng đáng kể và cản trở quá trình truyền Li+ giao thoa. Ngược lại, vật liệu catốt gốc mangan giàu lithium biến tính thể hiện động học khuếch tán Li+ ổn định/nhanh, đặc biệt ở điện áp cao 4,6 V, giảm thiểu sự thay đổi giá trị trở kháng bề mặt. Do đó, việc truyền Li+ bề mặt nhanh hơn và ổn định hơn được thúc đẩy bằng cách cải thiện khả năng thuận nghịch của phản ứng oxi hóa khử oxy anion. Vật liệu catốt tổng hợp sẽ dễ dàng đạt được các ứng dụng cấp công nghiệp hơn với dung lượng bề mặt ~3 mAh/cm2 hoặc thậm chí cao hơn. Ở 25 độ , công suất bề mặt của vật liệu catốt 5W&LRMO tải diện tích cao ở tốc độ 0.2 C là khoảng 2,5 mAh/cm2 và tỷ lệ duy trì công suất là 88,1% sau 100 chu kỳ; ở tốc độ cao 1 C, nó cho thấy độ ổn định chu kỳ cực dài, với tỷ lệ duy trì công suất là 84,1% sau 1200 chu kỳ. Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp mới để thiết kế cấu trúc giao diện khối/bề mặt của vật liệu catốt giàu mangan và một phương pháp hiệu quả để cải thiện mật độ năng lượng của pin lithium ở trạng thái rắn.
Vào ngày 1 tháng 10, các kết quả nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ với tiêu đề "Thiết kế cấu trúc khối/giao diện của Cathode dựa trên Li-Rich Mn cho Pin Lithium thể rắn".
TOB NĂNG LƯỢNG MỚIcung cấp một bộ đầy đủgiải pháp pin thể rắn, bao gồmvật liệu pin thể rắn, thiết bị pin thể rắn, vàdây chuyền sản xuất pin thể rắngiải pháp.
