Công nghệ lưu trữ năng lượng sạch và hiệu quả là điều cần thiết để thiết lập cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo.Pin lithium-ion đã chiếm ưu thế trong các thiết bị điện tử cá nhân và là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các phương tiện điện và lưu trữ ở cấp độ lưới điện đáng tin cậy.Tuy nhiên, cần phải phát triển hơn nữa để cải thiện tốc độ sạc và tuổi thọ sử dụng của chúng.
Để hỗ trợ sự phát triển của loại pin sạc nhanh hơn và có tuổi thọ cao hơn, các nhà khoa học cần có khả năng hiểu được các quá trình xảy ra bên trong pin đang hoạt động để xác định những hạn chế đối với hiệu suất của pin.Hiện tại, việc quan sát các vật liệu pin đang hoạt động khi chúng hoạt động đòi hỏi các kỹ thuật kính hiển vi điện tử hoặc tia X synchrotron phức tạp, có thể khó khăn và tốn kém và thường không thể chụp ảnh đủ nhanh để nắm bắt những thay đổi nhanh chóng xảy ra trong vật liệu điện cực sạc nhanh.Kết quả là, động lực ion trên thang độ dài của từng hạt hoạt động riêng lẻ và ở tốc độ sạc nhanh có liên quan đến thương mại phần lớn vẫn chưa được khám phá.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã khắc phục vấn đề này bằng cách phát triển kỹ thuật kính hiển vi quang học dựa trên phòng thí nghiệm chi phí thấp để nghiên cứu pin lithium-ion.Họ đã kiểm tra từng hạt Nb14W3O44 riêng lẻ, đây là một trong những vật liệu làm cực dương có khả năng sạc nhanh nhất cho đến nay.Ánh sáng nhìn thấy được truyền vào pin thông qua một cửa sổ kính nhỏ, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát quá trình động học bên trong các hạt hoạt động, trong thời gian thực, trong điều kiện không cân bằng thực tế.Điều này cho thấy các gradient nồng độ lithium giống như phía trước di chuyển qua các hạt hoạt động riêng lẻ, dẫn đến sức căng bên trong khiến một số hạt bị gãy.Gãy hạt là một vấn đề đối với pin vì nó có thể dẫn đến ngắt kết nối điện của các mảnh, làm giảm dung lượng lưu trữ của pin.Đồng tác giả, Tiến sĩ Christoph Schnedermann, từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge, cho biết: “Những sự kiện tự phát như vậy có tác động nghiêm trọng đến pin, nhưng trước đây chưa bao giờ có thể quan sát được trong thời gian thực”.
Khả năng thông lượng cao của kỹ thuật kính hiển vi quang học cho phép các nhà nghiên cứu phân tích một lượng lớn các hạt, cho thấy hiện tượng nứt hạt xảy ra phổ biến hơn với tốc độ phân tách cao hơn và ở các hạt dài hơn.Tác giả đầu tiên Alice Merryweather, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm và Hóa học Cavendish của Cambridge, cho biết: “Những phát hiện này cung cấp các nguyên tắc thiết kế có thể áp dụng trực tiếp để giảm hiện tượng đứt gãy hạt và suy giảm công suất trong loại vật liệu này”.
Trong tương lai, những ưu điểm chính của phương pháp này – bao gồm thu thập dữ liệu nhanh, độ phân giải hạt đơn và khả năng thông lượng cao – sẽ cho phép khám phá sâu hơn về những gì xảy ra khi pin hỏng và cách ngăn chặn điều đó.Kỹ thuật này có thể được áp dụng để nghiên cứu hầu hết mọi loại vật liệu pin, khiến nó trở thành một mảnh ghép quan trọng trong quá trình phát triển pin thế hệ tiếp theo.
Thời gian đăng: 17-09-2022