Ức chế quá trình thoát oxy ở cực âm tăng hiệu suất của pin lithium-ion

Mật độ năng lượng của dòng điện, pin lithium-ion thương mại bị giới hạn đáng kể bởi dung lượng điện thế thấp của vật liệu làm catốt, nhỏ hơn một nửa so với cực dương graphit của pin.

Vật liệu oxit phân lớp giàu lithium là một trong những ứng viên cực âm hàng đầu cho pin lithium-ion năng lượng cao do dung lượng cao. Nhưng ứng dụng thương mại của vật liệu catốt nhiều lớp giàu lithium gặp trở ngại đáng kể do sự suy giảm điện áp nghiêm trọng và mất công suất trong quá trình nạp, phóng.

Trong một bài báo về một công trình nghiên cứu khoa học, được xuất bản trên Tạp chí Advanced Materials, GS Xiaodong Chen và các đồng nghiệp thuộc Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore đã nghiên cứu sự thoát oxy liên tục từ những vật liệu catốt giàu lithium, khẳng định đây là nguyên nhân sâu xa khiến công suất của các vật liệu này nhanh chóng suy giảm.

Tác giả của công trình nghiên cứu cho biết: Vật liệu catốt ôxít phân lớp giàu Li có hiệu suất tiêu hao năng lượng cao (≈ 900Wh kg − 1) do bị phân rã công suất và điện áp nghiêm trọng trong quá trình quay vòng, điều này có liên quan đến sự chuyển pha từ phân lớp sang cấu trúc spinel (hóa cứng) và phản ứng oxy hóa khử.

Những nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào giải pháp sửa đổi bề mặt cathode nhằm ngăn chặn sự biến đổi cấu trúc không mong muốn này. Nhưng thách thức thực sự bắt nguồn từ việc giải phóng oxy liên tục khi sạc pin.

Các nhà khoa học nhận thấy, các nguyên tố có ái lực oxy cao Mg và Ti ổn định tốt lượng oxy bề mặt vật liệu giàu Li bằng cách tăng cường rào cản năng lượng cho phản ứng giải phóng oxy. Hiện tượng này được xác minh bằng mô phỏng lý thuyết hàm mật độ.

Nhóm nghiên cứu thiết kế một lớp phủ Mg2TiO4 bằng chất điện môi nhằm ngăn chặn sự mất oxy từ cực âm. Do các nguyên tố có ái lực oxy cao Mg và Ti, lớp phủ không chỉ ổn định oxy bề mặt của vật liệu giàu lithium, mà sự phân cực điện môi của lớp phủ hạn chế hiệu quả sự di chuyển ra bên ngoài của các anion oxy lên bề mặt.

Lớp phủ Mg2TiO4 bằng chất điện môi làm giảm sự thoát anion oxy, tăng hiệu suất của pin.

Sử dụng giải pháp này, điện cực vật liệu giàu Li thể hiện khả năng sạc phóng tuần hoàn ấn tượng với mức độ duy trì dung lượng điện hóa cao là ≈ 81% sau 700 chu kỳ, cao hơn hẳn so với ≈ 44% khi điện cực không biến đổi.

Ngoài ra, lớp phủ Mg2TiO4 làm giảm đáng kể sự suy giảm điện áp của vật liệu giàu Li, tốc độ suy giảm hạ xuống đến ≈ 65%. Công trình này đề xuất những hiểu biết mới về thao tác hóa học bề mặt của vật liệu điện cực để kiểm soát hoạt động của oxy đối với pin sạc lại mật độ năng lượng cao.

Giải pháp của các nhà khoa học Singapore cung cấp một nguyên tắc thiết kế mới để ổn định phản ứng anion cho vật liệu điện cực mật độ năng lượng cao trong phát triển pin sạc lại thế hệ tiếp theo.

Ông Chen nhấn mạnh: “Công trình này làm sáng tỏ một hướng đi mới, giải quyết những thách thức hiện tại trong sản xuất các thiết bị lưu trữ năng lượng cao, những tồn đọng của cấu trúc thiết kế các thiết bị lưu trữ điện năng”.