Thêm chất kết dính polymer vào điện cực silicon có thể cải thiện độ ổn định của pin lithium-ion.
Các nhà nghiên cứu Nhật Bản cho biết thiết kế cải tiến của họ về cực dương silicon cho pin lithium-ion có thể cải thiện tuổi thọ tổng thể của pin mật độ năng lượng cao, điều này có thể giải quyết một số hạn chế hiện có liên quan đến pin lưu trữ năng lượng.
Các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đã chứng minh rằng việc bổ sung một chất kết dính composite polymer đặc biệt vào cực dương silicon của pin lithium-ion có thể cải thiện đáng kể độ ổn định của cấu trúc. Điều này cho phép pin làm bằng cực dương làm từ vật liệu này có tuổi thọ cao hơn và do đó có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xe điện và các thiết bị khác.
Pin lithium-ion đã được mặc định cho hầu hết các thiết bị chúng ta sử dụng trong nhiều năm, nhưng những hạn chế của chúng đã trở nên rõ ràng, đặc biệt là trên xe điện, đòi hỏi độ bền, mật độ năng lượng và tuổi thọ tổng thể cao hơn.
Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm vật liệu thay thế cho các loại pin này và sử dụng silicon thay vì than chì làm cực dương là một trong những giải pháp mà họ đang tìm kiếm. Điều này là do silicon dồi dào hơn, rẻ hơn và có khả năng phóng điện lý thuyết cao hơn than chì.
Tuy nhiên, cực dương silicon cũng có nhược điểm; đặc biệt, việc sạc và xả lặp đi lặp lại có thể gây giãn nở và vỡ các hạt silicon, dẫn đến hình thành bề mặt tiếp xúc điện phân trạng thái rắn (SEI) dày giữa chất điện phân và cực dương. Giao diện chất điện phân ở trạng thái rắn dày hạn chế chuyển động của các ion lithium trong điện cực, do đó hạn chế hiệu suất của pin cũng như khả năng sạc và xả theo thời gian.
ứng dụng chất kết dính
Để cải thiện hiệu suất của cực dương silicon cho pin lithium-ion, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Noriyoshi Matsumi đứng đầu đã phát triển một phương pháp cải thiện tính ổn định của các hạt silicon cực dương bằng chất kết dính composite polymer.
Các nhà nghiên cứu cho biết, điều này tạo ra một giao diện chất điện phân rắn ngăn cực dương và chất điện phân tự tương tác với nhau, nhưng không ức chế dòng ion lithium.
Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã sử dụng polydiiminobenzonaphthoquinone (P-BIAN) và polyme chứa carboxylate poly(axit acrylic) (PAA) trong một chất kết dính tổng hợp, được liên kết với nhau bằng liên kết hydro.
Thiết kế, bao gồm polyme dẫn loại n (CP) và polyme cho proton với mạng lưới liên kết hydro, đại diện cho "một tương lai đầy hứa hẹn cho vật liệu điện cực công suất cao", Matsumi cho biết trong thông cáo báo chí.
Trên thực tế, cấu trúc polyme tổng hợp giữ các hạt silicon lại với nhau và ngăn không cho chúng bị vỡ, trong khi các liên kết hydro cho phép cấu trúc tự sửa chữa. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều này có nghĩa là nếu các polyme bị đứt hoặc phân hủy, chúng có thể gắn lại.
Họ nói thêm rằng chất kết dính cũng cải thiện độ dẫn điện của cực dương trong khi duy trì SEI mỏng bằng cách hạn chế sự phân hủy điện hóa của chất điện phân.
cải thiện cực dương
Để kiểm tra chất kết dính, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một nửa ô cực dương bao gồm các hạt nano silicon chứa than chì (Si/C), chất kết dính (P-BIAN/PAA) và chế phẩm phụ gia dẫn điện axetylen đen (AB). Sau đó, họ đặt cực dương Si/C/(P-BIAN/PAA)/AB vào các chu kỳ phóng điện lặp đi lặp lại.
Trong quá trình này, chất kết dính đã ổn định cực dương silicon để duy trì công suất xả 2.100 mAh/g sau hơn 600 chu kỳ, các nhà nghiên cứu đã công bố bài nghiên cứu của họ trên tạp chí Vật liệu năng lượng ứng dụng ACS. Thay vào đó, công suất của cực dương carbon silicon trần giảm xuống còn 600 mAh/g sau 90 chu kỳ, họ cho biết.
Sau khi kiểm tra các cực dương, nhóm nghiên cứu đã tháo rời chúng và kiểm tra chúng bằng máy quang phổ và kính hiển vi, tìm kiếm bất kỳ vết nứt nào có thể xảy ra do nứt silicon, thường gặp ở các cực dương này. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sau 400 chu kỳ, cực dương duy trì cấu trúc trơn tru với chỉ một vài vết nứt nhỏ. Họ cho biết điều này cho thấy chất kết dính đã cải thiện thành công tính toàn vẹn cấu trúc của các điện cực.
Matsumi cho biết những phát hiện nói chung cho thấy một tương lai đầy hứa hẹn đối với cực dương silicon trong pin lithium-ion, có thể được tối ưu hóa để sử dụng trong xe điện và các phương tiện chạy bằng pin khác, chẳng hạn như máy bay không người lái hiệu suất cao.