Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Seoul (Seoultech) đạt được bước đột phá đáng kể trong công nghệ pin lithium-ion, hứa hẹn các loại xe điện (EV) và hệ thống lưu trữ năng lượng đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí hơn.
Nhóm nghiên cứu phát triển một kỹ thuật mới để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của cực âm (cathode) LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) điện áp cao, được coi là vật liệu đầy hứa hẹn cho các loại pin năng lượng cao.
Để nâng cao hiệu suất của cathode LNMO, nhóm nghiên cứu giới thiệu bề mặt bên ngoài được làm giàu K2CO3 và bề mặt bên dưới được tách một phần các hạt LNMO thông qua phương pháp hóa học ướt hỗ trợ KOH.
Hiệu ứng hiệp đồng của các lớp này tạo ra hiệu suất chu kỳ sạc/xả điện hóa đáng chú ý và tăng độ ổn định nhiệt của cathode LNMO.
LNMO từ lâu được coi là vật liệu đầy hứa hẹn cho cathode điện áp cao do tính ổn định nhiệt và hiệu quả về chi phí. Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị hạn chế bởi các phản ứng phụ không mong muốn như phân hủy chất điện phân, làm giảm hiệu suất theo thời gian.
Sự phân hủy xảy ra tại giao diện giữa cathode và chất điện phân. Sự phân hủy này dẫn đến sự hình thành một lớp điện trở trên bề mặt cathode, cản trở dòng ion lithium di chuyển trong pin, cuối cùng làm giảm hiệu suất của pin theo thời gian.
Để vượt qua thách thức này, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp kỹ thuật kép. Bằng cách tạo ra các đường dẫn trống lithium bên trong bề mặt bên dưới các hạt LNMO, các nhà nghiên cứu tạo điều kiện cho quá trình di chuyển ion lithium nhanh hơn, hiệu quả hơn.
Quá trình vận chuyển lithium-ion được cải thiện này, giúp tăng tốc độ lưu trữ của pin, cho phép sạc và xả nhanh hơn. Sau đó, các nhà nghiên cứu phủ lớp bảo vệ K2CO3 lên bề mặt các hạt LNMO.
Lớp này hoạt động như một rào cản chống lại sự phân hủy chất điện phân, ngăn ngừa sự hình thành lớp điện trở cản trở hiệu suất. Lớp bảo vệ này giúp tăng đáng kể tuổi thọ chu kỳ và độ ổn định tổng thể của pin.
Trong các thử nghiệm, cathode theo thiết kế này chứng minh ưu thế vượt trội, thể hiện khả năng xả ~110 mAh/g với khả năng duy trì dung lượng 97% sau 100 chu kỳ, cải tiến đáng kể so với khả năng xả 89 mAh/g và khả năng duy trì 91% của các cathode LNMO chưa qua xử lý.
Kết quả của nghiên cứu này có ý nghĩa thúc đẩy các ứng dụng của pin trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng cách cho phép mật độ năng lượng cao hơn và cải thiện độ an toàn.
