Trái ngược với pin Li-ion, sử dụng cơ chế xen kẽ để di chuyển các ion Li-ion vào và ra khỏi cực dương than chì để tạo ra năng lượng, pin Li-metal sử dụng Li kim loại làm cực dương thay vì than chì cồng kềnh và nặng nề. Vì Li-metal cho thấy dung lượng lý thuyết (3,860 mAh/g) cao gấp mười lần so với than chì (372 mAh/g), nên nó đã dần nhận được nhiều sự chú ý từ các khu vực cần dung lượng cao. pin.
Bất chấp lợi ích này, Li có thể phát triển thành một cấu trúc giống như nhánh được gọi là sợi nhánh Li nếu nó không được lưu trữ đồng đều và hiệu quả trong quá trình đạp xe. Điều này gây ra sự mở rộng khối lượng đáng kể của điện cực, làm giảm tuổi thọ chu kỳ của pin và tăng nguy cơ xảy ra các vấn đề về an toàn như cháy nổ do đoản mạch bên trong.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Pin Thế hệ Tiếp theo của Viện Nghiên cứu Công nghệ Điện tử Hàn Quốc (KERI) đã phát triển cấu trúc carbon xốp 1D có thể kết dính được với Li. Cấu trúc của chúng bao gồm một lõi rỗng và một số lượng nhỏ các hạt nano vàng có ái lực với Li được thêm vào lõi rỗng.
Bằng cách ưu tiên tương tác với Li, vàng kiểm soát hướng phát triển của Li và khiến Li tích tụ bên trong lõi. Vô số lỗ xốp kích thước nano cũng được tạo ra trong lớp vỏ để tăng chuyển động của Li-ion về phía không gian lõi.
Bằng cách tạo ra nhiều lỗ có kích thước nano trong lớp vỏ, các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất coulomb được cải thiện đáng kể mà không cần Li dendrite phát triển ngay cả trong điều kiện thử nghiệm dòng điện cao 5 mA/cm2.
Các nhà khoa học đã hợp tác với Giáo sư Janghyuk Moon tại Đại học Chung-Ang để xác nhận lý thuyết về tính hiệu quả của thiết kế vật liệu này. Kết quả mô phỏng cho thấy các lỗ trên vỏ làm giảm chiều dài khuếch tán ion Li và cải thiện ái lực với Li nhờ các hạt nano vàng giữ cho sự lắng đọng Li bên trong cấu trúc ngay cả trong điều kiện sạc dòng điện cao.
Máy chủ Li được thiết kế cũng được phát hiện là có hiệu suất đạp xe tuyệt vời với hơn 500 chu kỳ dưới mật độ dòng điện cao 4C.
Các nhà khoa học ghi nhận, “Công nghệ này đáp ứng được tính thực tế vì nhóm đã sử dụng kỹ thuật quay điện hóa với ưu điểm là sản xuất hàng loạt để tổng hợp vật liệu”.
Tiến sĩ Byung Gon Kim tại Trung tâm Nghiên cứu Pin Thế hệ Tiếp theo của KERI nói, “Mặc dù có dung lượng cao, nhưng pin Li-metal có nhiều trở ngại phải vượt qua để thương mại hóa chủ yếu do các vấn đề về độ ổn định và an toàn. Nghiên cứu của chúng tôi là vô giá vì chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật để sản xuất hàng loạt bình chứa Li-metal với hiệu suất coulomb cao cho pin Li-metal có thể sạc lại nhanh.”
Tạp chí tham khảo:
- Dong Woo Kang, Seong Soo Park, et al. Máy chủ Li-Confinable xốp một chiều dành cho pin Li-Metal tốc độ cao và ổn định. ACS Nano 2022, 16, 8, 11892–11901. DOI: 10.1021/acsnano.2c01309
