Pin lithium-metal là bước tiến lớn tiếp theo trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Chúng có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn pin lithium-ion hiện nay, nên hấp dẫn để cung cấp năng lượng cho xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo, các thiết bị trong tương lai. Tuy nhiên, chúng đối mặt với các thách thức nghiêm trọng khiến việc sử dụng trên quy mô lớn còn hạn chế.
Vấn đề chính nằm ở cực dương kim loại lithium, thường xảy ra các phản ứng hóa học không ổn định. Những phản ứng này có thể khiến các dendrite lithium nguy hiểm phát triển bên trong pin, làm giảm độ an toàn và rút ngắn tuổi thọ của pin.
Các chất điện phân gốc ester thông thường, được sử dụng rộng rãi trong pin, có xu hướng làm trầm trọng thêm vấn đề này, bằng cách tạo ra các giao diện điện cực yếu và không ổn định.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Đông Nam, Trung Quốc hiện phát triển giải pháp mới. Nghiên cứu của họ giới thiệu chất phụ gia điện phân mới, gọi là 1,3-dithiane. Hợp chất gốc thioether này cho thấy khả năng định hình lại giao diện điện cực, mang lại tuổi thọ pin dài hơn nhiều.
Đột phá này bắt đầu từ cách 1,3-dithiane tương tác với bề mặt lithium. Cấu trúc phân tử của nó cho phép một quá trình hóa học gọi là đảo cực. Trong quá trình này, 1,3-dithiane phản ứng với hợp chất lithium để tạo ra chất trung gian, cuối cùng tạo thành lớp bảo vệ giàu lưu huỳnh trên điện cực.
Lớp bảo vệ này đóng vai trò quan trọng. Nó chuyển đổi các thành phần hữu cơ không ổn định thành các hợp chất vô cơ gốc lưu huỳnh ổn định hơn. Đồng thời, nó bảo vệ dung môi carbonate bên trong chất điện phân khỏi các tác động hóa học gây hại.
Kết quả là một chất điện phân rắn (SEI) đáng tin cậy hơn nhiều, giúp kéo dài tuổi thọ pin và duy trì sự an toàn. Chất phụ gia này giúp ngăn chặn dendrite phát triển, làm chậm việc giảm dung lượng của pin.
Cơ chế thứ hai của 1,3-dithiane nằm ở khả năng tối ưu hóa động học và nhiệt động lực học của hệ thống pin. Phụ gia này có đặc tính oxy hóa khử mạnh và khả năng hấp phụ ưu tiên, cho phép nó tạo thành giao diện động và ổn định cao trên các điện cực.
Một lợi ích quan trọng nữa là sự tham gia các anion PF6, trong quá trình hình thành màng. Các ion này giúp xây dựng một pha trung gian giàu vật liệu vô cơ, có độ dẫn ion cao. Nói một cách đơn giản, các ion lithium có thể di chuyển dễ dàng hơn qua giao diện, giảm điện trở, cải thiện hiệu suất tổng thể của pin.
Cải tiến này rất quan trọng vì nó cho phép pin duy trì hiệu suất mạnh mẽ ngay cả trong các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại. Mức độ tối ưu hóa này, có thể là bước đột phá cho các ứng dụng như xe điện, nơi độ bền và độ tin cậy là rất quan trọng.
Một trong những phát hiện nổi bật nhất trong nghiên cứu này là hàm lượng lưu huỳnh cao bất thường của chất phụ gia. 1,3-dithiane chứa 53,5% lưu huỳnh, gần gấp đôi so với hàm lượng lưu huỳnh thường có trong các chất phụ gia lưu huỳnh truyền thống.
Nồng độ lưu huỳnh cao này làm cho chất phụ gia cực kỳ hiệu quả trong việc ổn định giao diện điện cực, ngay cả khi sử dụng với lượng nhỏ. Các nhà sản xuất cải thiện đáng kể hiệu suất pin mà không cần thay đổi lớn về phương pháp sản xuất hoặc chi phí.
Ngoài hiệu suất, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh, giải pháp này tiết kiệm chi phí và mang tính phổ biến. Việc phát triển giao diện ổn định, giàu chất vô cơ với chất phụ gia giá rẻ, có thể giúp pin lithium-metal năng lượng cao trở nên thiết thực để sử dụng trên diện rộng. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí National Science Review.
