Tổng hợp gốm lithium ở nhiệt độ thấp cho pin

Gốm lithium có thể hoạt động như chất điện phân rắn trong thế hệ pin lithium-ion có thể sạc lại mạnh hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Thách thức là tìm ra một phương pháp sản xuất để pin hoạt động mà không cần nung kết ở nhiệt độ cao. Trên tạp chí Angewandte Chemie, nhóm nghiên cứu hiện đã giới thiệu một phương pháp không cần thiêu kết giúp tổng hợp hiệu quả, nhiệt độ thấp các loại gốm này ở dạng tinh thể dẫn điện.

Hai yếu tố chi phối sự phát triển pin cho các dòng xe điện là: công suất, quyết định số km mà một chiếc xe điện EV có thể đi được trước khi pin cạn kiệt; và giá thành, điều này rất quan trọng trong cuộc cạnh tranh với động cơ đốt trong.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đặt mục tiêu đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ phương tiện chạy bằng xăng sang phương tiện chạy bằng điện và đã đặt ra các mục tiêu đầy tham vọng là giảm chi phí sản xuất và tăng mật độ năng lượng của pin vào năm 2030. Những mục tiêu này không thể đạt được bằng pin lithium-ion thông thường.

Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để tạo ra pin có kích cỡ nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn đáng kể và an toàn hơn là sử dụng tế bào trạng thái rắn với cực dương làm bằng lithium kim loại thay vì than chì. Ngược lại với pin lithium-ion thông thường có chất điện phân hữu cơ lỏng và sử dụng màng polymer để phân tách ngăn anốt và catôt, tất cả các thành phần của pin thể rắn đều là chất rắn.

Một lớp gốm mỏng đồng thời có chức năng như chất điện phân rắn và chất phân tách. Nó rất hiệu quả trong việc chống lại cả tình trạng đoản mạch nguy hiểm do sự phát triển của sợi nhánh lithium và sự thoát nhiệt. Ngoài ra, chúng không chứa chất lỏng dễ cháy.

Chất điện phân/màng ngăn gốm thích hợp cho pin có mật độ năng lượng cao là lithium oxit Li7La3Zr2O12-d (LLZO) loại garnet. Vật liệu này phải được thiêu kết cùng với cực âm ở nhiệt độ trên 1050°C để chuyển LLZO thành pha tinh thể lập phương dẫn lithium nhanh, làm cho nó đủ đậm đặc và liên kết chặt chẽ với điện cực.

Tuy nhiên, nhiệt độ trên 600°C sẽ làm mất ổn định các vật liệu catốt có hàm lượng coban thấp hoặc không có coban bền vững, đồng thời làm tăng chi phí sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Vì thế cần có những phương pháp sản xuất mới tiết kiệm và bền vững hơn.

Một nhóm nghiên cứu tại MIT, Cambridge, Mỹ và TU Munich, Đức do Jennifer L. M. Rupp dẫn đầu, hiện đã phát triển một quy trình tổng hợp mới như vậy. Quy trình mới của họ không dựa trên hợp chất tiền chất gốm mà dựa trên hợp chất lỏng, được cô đặc trực tiếp để tạo thành LLZO trong quá trình tổng hợp phân hủy tuần tự. Để tối ưu hóa các điều kiện cho lộ trình tổng hợp này, Rupp và nhóm của cô đã phân tích sự biến đổi pha nhiều bước của LLZO từ dạng vô định hình sang dạng tinh thể cần thiết (cLLZO) bằng nhiều phương pháp khác nhau (quang phổ Raman, đo nhiệt lượng quét vi sai động) và tạo ra sơ đồ biến đổi nhiệt độ-thời gian.

Dựa trên những hiểu biết sâu sắc thu được về quá trình kết tinh, họ đã phát triển được một phương pháp có thể thu được cLLZO dưới dạng màng rắn, đặc sau 10 giờ ủ ở nhiệt độ tương đối thấp 500°C-không nung kết. Đối với các thiết kế pin trong tương lai, phương pháp này sẽ cho phép tích hợp chất điện phân LLZO rắn với cực âm bền vững mà có thể tránh phải sử dụng các nguyên tố quan trọng như coban.

Vista.gov.vn