Các kỹ sư tại Đại học California San Diego đã phát triển pin lithium-ion hoạt động tốt ở nhiệt độ lạnh cóng và nóng như thiêu đốt, đồng thời chứa nhiều năng lượng.Các nhà nghiên cứu đã đạt được kỳ tích này bằng cách phát triển một chất điện phân không chỉ linh hoạt và bền bỉ trong phạm vi nhiệt độ rộng mà còn tương thích với cực dương và cực âm năng lượng cao.
Pin chịu nhiệt độđược mô tả trong một bài báo xuất bản vào ngày 4 tháng 7 trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).
Những loại pin như vậy có thể cho phép xe điện ở vùng có khí hậu lạnh di chuyển xa hơn chỉ sau một lần sạc;Zheng Chen, giáo sư kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết họ cũng có thể giảm nhu cầu về hệ thống làm mát để giữ cho bộ pin của xe không bị quá nóng ở vùng khí hậu nóng.
“Bạn cần vận hành ở nhiệt độ cao ở những khu vực mà nhiệt độ môi trường có thể lên tới ba chữ số và đường thậm chí còn nóng hơn.Trong xe điện, bộ pin thường nằm dưới sàn, gần những con đường nắng nóng này,” Chen, đồng thời là giảng viên của Trung tâm Năng lượng và Năng lượng Bền vững UC San Diego, giải thích.“Ngoài ra, pin nóng lên chỉ do có dòng điện chạy qua trong quá trình hoạt động.Nếu pin không thể chịu được sự nóng lên này ở nhiệt độ cao, hiệu suất của chúng sẽ nhanh chóng suy giảm.”
Trong các thử nghiệm, pin chứng minh khái niệm giữ lại 87,5% và 115,9% công suất năng lượng ở -40 và 50 C (-40 và 122 F), tương ứng.Chúng cũng có hiệu suất Coulomb cao lần lượt là 98,2% và 98,7% ở những nhiệt độ này, điều đó có nghĩa là pin có thể trải qua nhiều chu kỳ sạc và xả hơn trước khi ngừng hoạt động.
Loại pin mà Chen và các đồng nghiệp phát triển đều có khả năng chịu lạnh và chịu nhiệt nhờ chất điện phân.Nó được làm từ dung dịch dibutyl ete lỏng trộn với muối lithium.Điểm đặc biệt của dibutyl ether là các phân tử của nó liên kết yếu với các ion lithium.Nói cách khác, các phân tử điện phân có thể dễ dàng giải phóng các ion lithium khi pin chạy.Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra sự tương tác phân tử yếu này trong một nghiên cứu trước đây, giúp cải thiện hiệu suất của pin ở nhiệt độ dưới 0.Ngoài ra, dibutyl ether có thể dễ dàng nhận nhiệt vì nó ở dạng lỏng ở nhiệt độ cao (nó có nhiệt độ sôi là 141 C, hoặc 286 F).
Ổn định hóa học lithium-lưu huỳnh
Điều đặc biệt ở chất điện phân này là nó tương thích với pin lithium-lưu huỳnh, đây là loại pin sạc có cực dương làm bằng kim loại lithium và cực âm làm bằng lưu huỳnh.Pin lithium-lưu huỳnh là một phần thiết yếu của công nghệ pin thế hệ tiếp theo vì chúng hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn và chi phí thấp hơn.Chúng có thể lưu trữ năng lượng trên mỗi kg nhiều hơn tới hai lần so với pin lithium-ion ngày nay - điều này có thể tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của xe điện mà không làm tăng trọng lượng của bộ pin.Ngoài ra, lưu huỳnh dồi dào hơn và ít gặp vấn đề về nguồn hơn so với coban được sử dụng trong cực âm của pin lithium-ion truyền thống.
Nhưng có vấn đề với pin lithium-lưu huỳnh.Cả cực âm và cực dương đều siêu phản ứng.Cực âm lưu huỳnh phản ứng mạnh đến mức chúng hòa tan trong quá trình hoạt động của pin.Vấn đề này trở nên tồi tệ hơn ở nhiệt độ cao.Và cực dương kim loại lithium có xu hướng hình thành các cấu trúc giống như kim gọi là đuôi gai, có thể xuyên qua các bộ phận của pin, khiến pin bị đoản mạch.Kết quả là pin lithium-lưu huỳnh chỉ có tuổi thọ lên tới hàng chục chu kỳ.
Chen cho biết: “Nếu bạn muốn có một loại pin có mật độ năng lượng cao, bạn thường phải sử dụng hóa học rất khắc nghiệt và phức tạp.“Năng lượng cao có nghĩa là có nhiều phản ứng xảy ra hơn, nghĩa là kém ổn định hơn, suy thoái nhiều hơn.Tạo ra một loại pin năng lượng cao ổn định đã là một nhiệm vụ khó khăn – cố gắng thực hiện điều này trong phạm vi nhiệt độ rộng thậm chí còn khó khăn hơn.”
Chất điện phân dibutyl ether do nhóm UC San Diego phát triển giúp ngăn ngừa những vấn đề này, ngay cả ở nhiệt độ cao và thấp.Loại pin mà họ thử nghiệm có tuổi thọ hoạt động lâu hơn nhiều so với pin lithium-lưu huỳnh thông thường.Chen cho biết: “Chất điện phân của chúng tôi giúp cải thiện cả phía cực âm và phía cực dương, đồng thời mang lại độ dẫn cao và độ ổn định bề mặt”.
Nhóm nghiên cứu cũng chế tạo cực âm lưu huỳnh ổn định hơn bằng cách ghép nó với một loại polyme.Điều này ngăn không cho nhiều lưu huỳnh hòa tan vào chất điện phân.
Các bước tiếp theo bao gồm tăng quy mô hóa học của pin, tối ưu hóa nó để hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nữa và kéo dài hơn nữa tuổi thọ của chu kỳ.
Bài viết: “Tiêu chí lựa chọn dung môi cho pin lithium-lưu huỳnh chịu nhiệt độ.”Các đồng tác giả bao gồm Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal và Ping Liu, tất cả đều tại UC San Diego.
Công trình này được hỗ trợ bởi khoản tài trợ của Khoa Hướng nghiệp sớm từ Chương trình Tài trợ Nghiên cứu Công nghệ Vũ trụ của NASA (ECF 80NSSC18K1512), Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua Trung tâm Kỹ thuật và Khoa học Nghiên cứu Vật liệu UC San Diego (MRSEC, cấp DMR-2011924) và Văn phòng của Công nghệ phương tiện của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thông qua Chương trình nghiên cứu vật liệu pin tiên tiến (Hiệp hội Battery500, hợp đồng DE-EE0007764).Công việc này được thực hiện một phần tại Cơ sở hạ tầng công nghệ nano San Diego (SDNI) tại UC San Diego, một thành viên của Cơ sở hạ tầng phối hợp công nghệ nano quốc gia, được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia (cấp ECCS-1542148).
Thời gian đăng: 10-08-2022