Thiết kế LiF@spinel của nhóm nghiên cứu từ Đại học Hebei và Đại học Longyan, kết hợp hai lớp bảo vệ để ngăn ngừa hư hỏng bề mặt và cải thiện hiệu suất chu kỳ, mở ra hướng đi thiết thực để tạo ra loại pin ổn định, năng lượng cao.
Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho hầu hết xe điện, điện thoại thông minh, hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo hiện nay. Chúng nhẹ, có thể sạc lại, mật độ năng lượng cao, nên đóng vai trò thiết yếu cho quá trình chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn nhiều tồn tại.
Sự mất ổn định của cực âm, sự cố chất điện phân và sự suy giảm dung lượng dần dần, làm giảm tuổi thọ của pin. Các rủi ro về an toàn, chẳng hạn như quá nhiệt và nguy cơ cháy nổ, cũng là mối lo ngại đáng quan tâm.
Ngoài ra, việc phụ thuộc các kim loại khan hiếm như coban, niken, làm tăng chi phí và các vấn đề về chuỗi cung ứng. Những hạn chế này thúc đẩy việc nghiên cứu các thiết kế an toàn hơn, dung lượng cao hơn, có thể mang lại vòng đời dài hơn và hiệu suất được cải thiện.
Oxit phân lớp giàu lithium (LRMO) được quan tâm nhờ lợi thế về dung lượng cao và chi phí. Tuy nhiên, việc giải phóng oxy ở điện áp cao, cấu trúc xuống cấp và ăn mòn, do sự cố chất điện phân làm hạn chế việc sử dụng chúng. Những vấn đề này gây ra suy giảm điện áp, tổn thất kim loại, làm giảm tuổi thọ pin.
Các giải pháp phủ được thử nghiệm, nhưng nhiều giải pháp chặn sự vận chuyển ion hoặc bong tróc sau nhiều lần sử dụng. Các nhà nghiên cứu cho biết, phương pháp LiF@spinel của họ, kết hợp lớp đệm spinel để di chuyển ion nhanh, cùng với lớp ngoài LiF giúp ngăn chặn sự ăn mòn.
Lớp phủ được chế tạo bằng phương pháp tái tạo tại chỗ. Một lớp spinel được hình thành trực tiếp trên bề mặt cực âm, tạo ra mạng lưới 3D để vận chuyển lithium-ion. Phía trên cùng, lớp chắn LiF liên kết hóa học với các neo Ni-F giúp bịt kín điện cực chống lại sự ăn mòn của chất điện phân.
Các thử nghiệm cho thấy kết quả tốt. Ở 2 độ C, cực âm được phủ vẫn giữ được 81,5% công suất sau 150 chu kỳ, so với 63,2% của mẫu không được phủ. Ngay cả khi sạc siêu nhanh ở 5 độ C, thiết kế vỏ kép vẫn giữ được hơn 80% công suất. Kết quả trở kháng điện hóa cho thấy, điện trở thấp hơn, dòng ion nhanh hơn, ít sản phẩm phụ ăn mòn hơn.
Theo nhóm nghiên cứu, tiến bộ này có thể thúc đẩy triển khai các loại xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn, kéo dài tuổi thọ các thiết bị điện tử cầm tay và cải thiện hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Thiết kế LiF@spinel có thể điều chỉnh phù hợp cho các vật liệu điện cực không ổn định khác, nên phương pháp này cũng có thể hỗ trợ rộng hơn trong lưu trữ năng lượng.
Khám phá này được công bố trên tạp chí Energy Materials and Devices.
