Tốt hơn, nhanh hơn, mạnh hơn: Xây dựng pin không phát triển nhanh

Pin lithium ion giữ lời hứa đáng kinh ngạc cho khả năng lưu trữ được cải thiện, nhưng chúng dễ bay hơi. Chúng ta đều đã nghe tin tức về pin lithium ion trong điện thoại - đáng chú ý nhất là Samsung Galaxy 7 - khiến điện thoại bắt lửa.

Phần lớn vấn đề phát sinh từ việc sử dụng chất điện phân chất lỏng dễ cháy bên trong pin. Một cách tiếp cận là sử dụng một chất điện phân rắn không cháy cùng với một điện cực kim loại lithium. Điều này sẽ làm tăng năng lượng của pin trong khi đồng thời làm giảm khả năng xảy ra hỏa hoạn.

Về cơ bản, đích đến là xây dựng các loại pin trạng thái rắn thế hệ kế tiếp không phát triển mạnh. Cuộc hành trình về cơ bản là hiểu được lithium.

"Mọi người chỉ nhìn vào các thành phần lưu trữ năng lượng của pin", Erik Herbert, trợ lý giáo sư về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Công nghệ Michigan cho biết. "Rất ít nhóm nghiên cứu quan tâm đến việc hiểu các yếu tố cơ học. Nhưng chúng ta đang phát hiện ra rằng các tính chất cơ học của lithium chính nó có thể là phần quan trọng của câu đố."

Các nhà nghiên cứu của Michigan Tech đóng góp đáng kể vào việc tìm hiểu cơ bản về lithium với kết quả được công bố ngày hôm nay trong một loạt ba bài báo được mời trong Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu, được xuất bản bởi Hiệp hội Nghiên cứu Vật liệu và Nhà in Đại học Cambridge. Herbert và Stephen Hackney, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, cùng với Violet Thole, một sinh viên sau đại học tại Michigan Tech, Nancy Dudney tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Sudharshan Phani tại Trung tâm nghiên cứu nâng cao quốc tế về luyện kim bột và vật liệu mới, chia sẻ kết quả nhấn mạnh tầm quan trọng của hành vi cơ học của lithium trong việc kiểm soát hiệu suất và độ an toàn của pin thế hệ tiếp theo.

Giống như một chu kỳ đóng băng làm hư hỏng bê tông, các sợi dây kim loại lithium làm hỏng pin

Lithium là một kim loại cực kỳ phản ứng, làm cho nó dễ bị hành vi sai trái. Nhưng nó cũng rất tốt trong việc tích trữ năng lượng. Chúng tôi muốn điện thoại của chúng tôi (và máy tính, máy tính bảng và các thiết bị điện tử khác) sạc nhanh nhất có thể và do đó các nhà sản xuất pin phải đối mặt với áp lực kép: Hãy sạc pin nhanh chóng, sạc điện cực giữa cực âm và cực dương càng nhanh càng tốt làm cho pin đáng tin cậy mặc dù bị tính phí nhiều lần.

Lithium là một kim loại rất mềm, nhưng nó không hoạt động như mong đợi trong quá trình hoạt động của pin. Áp lực lắp đặt không chính xác xảy ra trong quá trình sạc và xả pin dẫn đến các ngón tay cực nhỏ của lithium được gọi là dendrites để lấp đầy lỗ hổng có thể tồn tại và không thể tránh khỏi - rãnh, lỗ chân lông và vết trầy xước - tại giao diện giữa cực dương lithium và bộ tách điện phân rắn.

Trong quá trình đạp xe liên tục, các nhánh này có thể ép vào, và cuối cùng là lớp chất điện phân rắn tách vật chất với cực dương và cực âm. Một khi một dendrite đạt đến cực âm, các thiết bị ngắn mạch và thất bại, thường là thảm họa. Nghiên cứu của Herbert và Hackney tập trung vào việc lithium giảm thiểu áp lực phát triển tự nhiên như thế nào trong quá trình sạc và xả một pin trạng thái rắn.

Công trình của họ ghi lại hành vi đáng chú ý của lithium ở quy mô chiều dài submicron - đi sâu vào các thuộc tính nhỏ nhất và được cho là lố bịch nhất của lithium. Bằng cách thụt phim lithium bằng đầu dò kim cương để làm biến dạng kim loại, các nhà nghiên cứu khám phá cách kim loại phản ứng với áp suất. Kết quả của họ xác nhận độ bền cao bất ngờ của lithium ở quy mô nhỏ được báo cáo hồi đầu năm nay bởi các nhà nghiên cứu tại Cal Tech.

Herbert và Hackney xây dựng trên nghiên cứu đó bằng cách cung cấp giải thích cơ học, khai mạc về sức mạnh đáng kinh ngạc của lithium.

Khả năng khuếch tán hoặc sắp xếp lại các nguyên tử hoặc ion của chính nó trong nỗ lực làm giảm áp lực do đầu vào gây ra, cho thấy tầm quan trọng của tốc độ mà lithium bị biến dạng (liên quan đến tốc độ sạc và xả pin nhanh), cũng như ảnh hưởng của khuyết tật và độ lệch trong việc sắp xếp các ion lithium bao gồm cực dương.

Khoan xuống để hiểu hành vi của lithium

Trong bài báo "Nanoindentation của các bộ phim lithium có độ tinh khiết cao lắng đọng: Mô đun đàn hồi", các nhà nghiên cứu đo tính chất đàn hồi của lithium để phản ánh những thay đổi trong định hướng vật lý của các ion lithium. Những kết quả này nhấn mạnh sự cần thiết của việc kết hợp các tính chất đàn hồi phụ thuộc vào định hướng của lithium vào tất cả các công việc mô phỏng trong tương lai. Herbert và Hackney cũng cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho thấy lithium có thể có một khả năng nâng cao để biến năng lượng cơ học thành nhiệt ở quy mô chiều dài nhỏ hơn 500 nanomet.

Trong bài báo dưới đây, "Nanoindentation của các màng lithium lắng tụ độ tinh khiết cao: Sự hợp lý hóa cơ học của dòng khuếch tán qua trung gian", Herbert và tài liệu Hackney có độ bền cao đáng kể ở độ dài dưới 500 nanomet, và chúng cung cấp khung ban đầu, nhằm mục đích giải thích khả năng quản lý áp suất của lithium được kiểm soát bằng cách khuếch tán và tốc độ vật liệu bị biến dạng như thế nào.

Cuối cùng, trong "Nanoindentation của các màng lithium lắng đọng độ tinh khiết cao: Sự hợp lý hóa cơ học của quá trình chuyển đổi từ khuếch tán sang dòng trung gian bị trật hướng", các tác giả đưa ra một mô hình thống kê giải thích các điều kiện mà lithium trải qua một quá trình chuyển đổi đột ngột. khả năng giảm áp lực. Họ cũng cung cấp một mô hình liên kết trực tiếp hành vi cơ học của lithium với hiệu suất của pin.

Herbert nói: “Chúng tôi đang cố gắng hiểu các cơ chế mà theo đó lithium làm giảm áp lực ở các thang đo chiều dài tương xứng với các khuyết tật giao thoa. Việc cải thiện sự hiểu biết của chúng tôi về vấn đề cơ bản này sẽ trực tiếp cho phép phát triển một giao diện ổn định nhằm thúc đẩy hiệu suất đi xe đạp an toàn, lâu dài và tốc độ cao.

Herbert nói: "Tôi hy vọng công việc của chúng tôi có tác động đáng kể đến hướng mọi người cố gắng phát triển các thiết bị lưu trữ thế hệ tiếp theo".