Các kỹ sư tại Đại học California San Diego đã phát triển pin lithium-ion hoạt động tốt ở nhiệt độ lạnh cóng và nhiệt độ nóng như thiêu đốt, đồng thời tích trữ rất nhiều năng lượng.Các nhà nghiên cứu đã hoàn thành kỳ tích này bằng cách phát triển một chất điện phân không chỉ linh hoạt và mạnh mẽ trong phạm vi nhiệt độ rộng, mà còn tương thích với cực dương và cực âm năng lượng cao.
Pin có khả năng phục hồi nhiệt độđược mô tả trong một bài báo được xuất bản vào tuần 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 khí hậu lạnh đi được xa hơn chỉ với một lần sạc;Zheng Chen, giáo sư kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs, đồng thời là tác giả cao cấp 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 trong điều kiện 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 con số và đường càng nóng hơn.Trong các loại xe điện, các bộ pin thường nằm dưới sàn xe, gần với những con đường nóng này, ”Chen, người cũng là giảng viên của Trung tâm Năng lượng và Năng lượng bền vững UC San Diego, giải thích.“Ngoài ra, pin nóng lên chỉ khi 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 bị suy giảm ”.
Trong các bài kiểm tra, pin chứng minh ý tưởng giữ lại 87,5% và 115,9% dung lượng năng lượng của chúng ở -40 và 50 C (-40 và 122 F), tương ứng.Chúng cũng có hiệu suất Coulombic cao lần lượt là 98,2% và 98,7% ở các nhiệt độ này, 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 đã phát triển đều có khả năng chịu lạnh và chịu nhiệt nhờ chất điện phân của chúng.Nó được tạo ra từ một dung dịch lỏng của ete dibutyl trộn với một muối liti.Điểm đặc biệt về dibutyl ete là các phân tử của nó liên kết yếu với các ion liti.Nói cách khác, các phân tử chất điện phân có thể dễ dàng loại bỏ các ion lithium khi pin chạy.Tương tác phân tử yếu này, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra trong một nghiên cứu trước đây, giúp cải thiện hiệu suất của pin ở nhiệt độ dưới 0.Thêm vào đó, dibutyl ete có thể dễ dàng thu nhiệt vì nó ở thể lỏng ở nhiệt độ cao (nó có điểm sôi là 141 C, hoặc 286 F).
Ổn định hóa chất lithium-lưu huỳnh
Điều đặc biệt ở chất điện phân này là nó tương thích với pin lithium-sulphur, đây là một loại pin sạc có cực dương làm bằng kim loại lithium và cực âm làm bằng lưu huỳnh.Pin Lithium-sulfur 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 tích trữ năng lượng gấp hai lần mỗi kg 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, nguồn lưu huỳnh dồi dào hơn và ít có vấn đề hơn so với coban được sử dụng trong các cực âm của pin lithium-ion truyền thống.
Nhưng có vấn đề với pin lithium-sulphur.Cả cực âm và cực dương đều siêu phản ứng.Các catốt lưu huỳnh phản ứng đến mức chúng tan ra trong quá trình hoạt động của pin.Vấn đề này trở nên tồi tệ hơn ở nhiệt độ cao.Và các cực dương kim loại lithium dễ hình thành các cấu trúc giống như kim được gọi là đuôi gai có thể xuyên qua các bộ phận của pin, gây đoản mạch.Kết quả là, pin lithium-sulfur chỉ có tuổi thọ lên đến hàng chục chu kỳ.
Chen cho biết: “Nếu bạn muốn 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 nhiều phản ứng đang xảy ra hơn, có nghĩa là kém ổn định hơn, suy thoái nhiều hơn.Bản thân việc tạo ra một loại pin năng lượng cao và ổn định đã là một nhiệm vụ khó khăn - cố gắng làm được điều này trong một phạm vi nhiệt độ rộng còn khó khăn hơn ”.
Chất điện ly dibutyl ether được phát triển bởi nhóm UC San Diego ngăn ngừa những vấn đề này, ngay cả ở nhiệt độ cao và thấp.Loại pin mà họ thử nghiệm có tuổi thọ chu kỳ dài hơn nhiều so với pin lithium-sulfur thông thường.Chen cho biết: “Chất điện phân của chúng tôi giúp cải thiện cả phía cực âm và phía cực dương đồng thời cung cấp độ dẫn điện cao và ổn định bề mặt.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thiết kế cực âm lưu huỳnh để ổn định hơn bằng cách ghép nó vào một polyme.Điều này ngăn không cho nhiều lưu huỳnh hòa tan vào chất điện phân.
Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô hóa học của pin, tối ưu hóa pin để hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nữa và kéo dài tuổi thọ chu kỳ hơn nữa.
Giấy: “Tiêu chí lựa chọn dung môi cho pin lithium-lưu huỳnh có khả năng 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 ở UC San Diego.
Công việc này được hỗ trợ bởi khoản tài trợ của Khoa Sự nghiệp Ban đầu từ Chương trình Tài trợ Nghiên cứu Công nghệ Không gian của NASA (ECF 80NSSC18K1512), Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu UC San Diego (MRSEC, tài trợ DMR-2011924), và Văn phòng Công nghệ xe của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thông qua Chương trình Nghiên cứu Vật liệu Pin Tiên tiến (Tổ hợp Battery500, hợp đồng DE-EE0007764).Công việc này đã 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 bài: tháng 8-10-2022