Pin Li-ion và các công nghệ pin dựa trên lithium mới nổi khác hiện đang được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị, bao gồm điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng và máy ảnh. Tuy vậy, không phải lúc nào pin chứa lithium cũng giữ được hiệu suất theo thời gian.
Hình tóm tắt phương pháp cải tạo Li do các nhà nghiên cứu đưa ra. Ảnh: Jin và cộng sự. Một trong những lý do chính dẫn đến sự suy giảm hiệu suất được quan sát thấy là do lithium chứa bên trong chúng đôi khi không hoạt động hoặc rơi vào trạng thái "chết". Lithium "chết" này có thể gây ra sự suy giảm dung lượng và thoát nhiệt, do vậy có thể làm giảm tuổi thọ và hiệu suất của pin.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chiết Giang ở Trung Quốc và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Hoa Kỳ gần đây đã đưa ra một chiến lược để khôi phục lại lithium không hoạt động trong các cực dương kim loại Li. Chiến lược này được nêu trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy, dựa trên một phản ứng hóa học được gọi là quá trình oxy hóa khử i-ốt.
Kì trung gian chất điện phân rắn (SEI) là một lớp được tạo ra trên cực dương của pin lithium-ion trong vài chu kỳ sạc đầu tiên. Lớp thụ động này đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả, sự ổn định và an toàn của pin.
Trong một tế bào pin Li-ion điển hình có cực dương bằng than chì thông thường, pha điện phân rắn (SEI) thường bao gồm LiF, kết hợp với Li2CO3, alkyl cacbonat và các chất khác. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng trong pin có cực dương bằng kim loại Li, SEI chủ yếu được làm bằng Li2O, chứ không phải LiF. Trong các loại pin này, sự thay đổi về thể tích của lớp mạ Li có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học và vai trò thụ động của SEI dựa trên Li2O. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành "lithium chết".
Các nghiên cứu trước đây đã đề xuất một số phương pháp để cải thiện hiệu suất của pin có cực dương kim loại Li. Chẳng hạn, một số nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng cấu trúc SEI nhân tạo hoặc các chất phụ gia điện phân được điều chỉnh bởi SEI, chẳng hạn như cesium hexafluorophosphate hoặc fluoroethylene carbonate. Tuy nhiên, họ phát hiện ra rằng sự thay đổi thể tích của lớp mạ Li làm cho SEI bị vỡ, làm cho lithium tiếp xúc với chất điện phân và dẫn đến sự hình thành SEI mới. Việc sửa chữa và hư hỏng SEI liên tục này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của pin theo thời gian.
Trong bài báo của mình, Chengbin Jin và các đồng nghiệp tại Đại học Chiết Giang và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã cố gắng định lượng lượng Li2O trong lớp SEI hình thành trên các cực dương kim loại Li. Ngoài ra, họ đã nghiên cứu vai trò của SEI "không hoạt động" trong việc sản xuất kim loại Li chết cách ly về mặt điện.
Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo: “Cần có một giải pháp cơ bản để khôi phục lithium đã chết để ổn định pin kim loại lithium. "Chúng tôi định lượng các thành phần SEI và xác định mối quan hệ của chúng với sự hình thành của kim loại lithium chết được cách ly về điện."
Các phát hiện do Jin và các đồng nghiệp thu thập cho thấy rằng sự mất mát Li trong SEI và các mảnh vụn Li chết là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu suất thường thấy trong pin kim loại Li. Quan sát này đã thôi thúc họ tạo ra một phương pháp khôi phục lại lithium đã chết bằng cách sử dụng phản ứng oxy hóa khử i-ốt.
Các nhà nghiên cứu giải thích trong bài báo của họ: “Chúng tôi trình bày một phương pháp khôi phục lithium dựa trên một loạt các phản ứng oxy hóa khử i-ốt chủ yếu liên quan đến I3 - / I−. " Sau khi sử dụng vật chủ viên nang than sinh học cho iốt, chúng tôi cho thấy rằng quá trình oxy hóa khử I3 - / I− diễn ra một cách tự phát, làm trẻ hóa lithium đã chết một cách hiệu quả để bù đắp lượng lithium mất đi."
Giờ đây Jin và các đồng nghiệp đã có thể tạo ra một pin đầy đủ với rất ít lithium ở cực dương. Tế bào này có tuổi thọ đáng kể là 1.000 chu kỳ và đạt hiệu suất Coloumbic cao là 99,9%.
Để đánh giá thêm hiệu quả của chiến lược khôi phục Li, các nhà nghiên cứu đã kết hợp cực dương với cực âm thương mại (tức là LiFePO4 và LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) và tạo ra một tế bào túi. Tế bào này đã đạt được những kết quả rất hứa hẹn, cả về vòng đời và hiệu suất.
Trong tương lai, chiến lược do nhóm các nhà nghiên cứu này đưa ra có thể cung cấp thêm thông tin cho sự phát triển của các loại pin mới, hiệu suất tốt hơn với cực dương kim loại Li. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ chu kỳ của các loại pin Li-ion hiện có và các công nghệ pin dựa trên Li khác.
Link: https://techxplore.com/news/2021-04-strategy-rejuvenate-dead-lithium-batteries.html
Hà Trần (Theo Tech Xplore)
