Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ pin thể rắn đã tiến triển đến đâu? Các lĩnh vực tập trung ở đâu?
Trước những vấn đề này, NE Times diễn giải sự tiến bộ của công nghệ pin thể rắn trong dự án nghiên cứu và phát triển pin năng lượng do Văn phòng Công nghệ Phương tiện (VTO) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ dẫn đầu cho độc giả. Văn phòng Công nghệ Phương tiện của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ phương tiện tiên tiến. Trong năm tài chính 2019, kinh phí nghiên cứu và phát triển pin của VOT là khoảng 106 triệu đô la Mỹ. Các dự án nghiên cứu và phát triển pin bao gồm nghiên cứu và phát triển tế bào pin tiên tiến, nghiên cứu và phát triển vật liệu pin, v.v. Do giới hạn về không gian, một phần nội dung sẽ tiếp tục được đăng nhiều kỳ sau đó. Bài báo này chủ yếu giới thiệu dự án chất điện phân tổng hợp polyme mạng sợi nano vô cơ trạng thái rắn cho pin lithium trong nghiên cứu pin trạng thái rắn.
Chất điện phân hỗn hợp polymer vô cơ mạng sợi nano trạng thái rắn cho pin lithium
mô tả dự án
Do các chất điện phân hữu cơ lỏng không ổn định và dễ cháy hiện đang được sử dụng rộng rãi, sự an toàn của pin đã thu hút nhiều sự chú ý. Pin thể rắn có thể giải quyết hiệu quả vấn đề an toàn của pin và pin thể rắn có độ bền cơ học cao và độ ổn định điện hóa mạnh, có thể cải thiện tính ổn định hóa học và ổn định nhiệt của pin lithium.
Mục tiêu dự án
Phát triển chất điện phân trạng thái rắn dựa trên polyme dựa trên mạng lưới sợi nano vô cơ dẫn điện cao để sử dụng trong pin lithium-ion.
phương pháp dự án
Việc tích hợp mạng lưới sợi nano vô cơ có độ dẫn Li-ion cao vào ma trận polymer không chỉ cung cấp các kênh vận chuyển Li liên tục mà còn ức chế sự kết tinh của chất điện phân polymer vô định hình.
Sợi nano vô cơ được điều chế bằng công nghệ quay điện.
Độ dẫn ion của sợi nano vô cơ được cải thiện bằng cách thay thế hoặc pha tạp hóa học.
Phát triển các polyme dẫn điện ion cao bằng cách tạo liên kết ngang và/hoặc tạo cấu trúc copolyme khối.
Sự hình thành các sợi nhánh liti bị triệt tiêu bằng cách thiết kế thành phần và vi cấu trúc của chất điện phân hỗn hợp.
kết quả
(1) Cấu trúc lớp kép điện cực-catốt linh hoạt với giao diện ổn định cho pin lithium-lưu huỳnh hoàn toàn ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng.
Trong cấu trúc lớp kép, chất điện phân hỗn hợp trạng thái rắn sợi nano-polyoxyetylen (PEO) Li0.33La0.557TiO3 (LLTO) và cực âm sợi nano carbon/lưu huỳnh (CNF/S) ba chiều được sử dụng làm chất điện phân và cực âm. Ở nhiệt độ phòng, khả năng phân hủy của chất điện phân hỗn hợp LLTO/PEO là khoảng 4,5 Vvs. Li/Li+, độ dẫn ion là 2,3×10-4S·cm-1 và hàm lượng sợi nano LLTO là 13% trọng lượng.
Pin lithium-lưu huỳnh ở trên đã được thử nghiệm ở nhiệt độ phòng mà không cần thêm bất kỳ chất điện phân lỏng nào. Sau 50 chu kỳ, hiệu suất điện dung của pin vẫn ở mức 99%. Kết quả kiểm tra được thể hiện trong hình bên dưới.
(a) Đường cong điện áp ở nhiệt độ phòng với mật độ dòng điện là 0,5 mA cm-2 (hình bên trong: bên trái: đường cong điện áp của PEO và PEO/LLTO được thử nghiệm ở 201–203 chu kỳ; bên phải: PEO/LLTO được thử nghiệm ở 990–1000 chu kỳ đường cong điện áp của ); (b) hiệu suất chu trình của toàn bộ pin với lượng lưu huỳnh là 1,27 mg cm-2 (0,05 C (0,084 mA cm-2)); 0,05 C (0,084 mA cm-2), 0,1 C ( (c) đường cong phóng điện và (d) công suất tốc độ của các tế bào đầy đủ được thử nghiệm ở 0,168 mA cm-2) và 0,2 C (0,335 mA cm-2)
(2) Chất điện phân rắn hỗn hợp giàu garnet cho pin kim loại lithium trạng thái rắn không có đuôi gai và tốc độ cao.
Một chất điện phân rắn tổng hợp mới đã được phát triển, bao gồm các sợi nano Li6.28La3Al0.24Zr2O12 được biến đổi silan (s@LLAZO) và polyetylen glycol diacrylat (PEGDA). Khi s@LLAZO chiếm 60% trọng lượng, độ dẫn ion của chất điện phân hỗn hợp đạt 4,9×10-4S·cm-1 và quá trình phân hủy oxy hóa của chất điện phân hỗn hợp s@LLAZO-60PEGDA bắt đầu ở mức 5,3V.
Sử dụng chất điện phân hỗn hợp này, một loại pin hoàn toàn ở trạng thái rắn với lithium kim loại nguyên chất làm điện cực âm và lithium iron phosphate làm điện cực dương đã được lắp ráp. Nó thể hiện hiệu suất tốc độ tuyệt vời và độ ổn định chu kỳ từ 0,5C đến 10C.
Nói tóm lại, chất điện phân hỗn hợp mới chứa các sợi nano s@LLAZO mở ra một con đường mới cho sự phát triển của pin Li-ion hoàn toàn ở trạng thái rắn.
(3) Tương tác hóa học và khả năng vận chuyển ion liên vùng mạnh của chất điện phân hỗn hợp sợi nano-polyme gốm cho pin kim loại lithium ở trạng thái rắn.
Một chất điện phân hỗn hợp gốm/polyme rắn đã được phát triển bằng cách kết hợp mạng lưới sợi nano LLTO pha tạp nhôm ba chiều trong polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) làm ma trận. Ngoài ra, các sợi nano LLTO được phủ một lớp liti photphat trước khi nhúng các sợi nano vào ma trận polyme. Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn ion của chất điện phân hỗn hợp LLTO/Li3PO4/polyme là 5,1×10-4S/cm-1 và cửa sổ ổn định điện hóa là 5,0 V so với Li/Li+.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trạng thái rắn cho thấy ba con đường vận chuyển ion lithium: (i) vận chuyển nội polyme, (ii) vận chuyển trong sợi nano và (iii) vận chuyển giao diện polyme/sợi nano.
Pin LiFePO4|PVDF-HFP/LLTO/Li3PO4|Li có dung lượng xả cụ thể là 130,7mAh g−1 ở 0,5C. Sau 160 chu kỳ, tỷ lệ duy trì dung lượng là 87,8% và hiệu suất Coulombic vẫn ở mức trên 99,4%. Dung lượng xả cụ thể ở 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C và 2C lần lượt là 158, 147, 133, 98 và 76 mAh g−1, tiếp theo là dung lượng đảo ngược là 149 mAh g−1 khi chuyển ngược lại đến 0,1 C. 1.
(4) Chất điện phân hỗn hợp polyme-garnet rắn có thêm tinh thể nhựa.
Một chất điện phân polyme rắn có tinh thể nhựa đã được phát triển bằng cách thêm chất làm dẻo SN vào poly(etylen glycol methacrylat) và polyme liên kết ngang pentaerythritol tetraacrylat (PETA).
Độ dẫn ion của chất điện phân polyme ở nhiệt độ phòng là 8,3×10-4S·cm-1 và cửa sổ ổn định điện hóa là 4,7V so với Li/Li+. Sau khi thêm 20% trọng lượng sợi nano LLAZO, độ dẫn ion của chất điện phân hỗn hợp ở nhiệt độ phòng là 8,5×10-4S·cm-1 và cửa sổ ổn định điện hóa là 5,0V so với Li/Li+.
Tóm lại là
1. Chất điện phân hỗn hợp sợi nano gốm/PEO của LLTO được kết hợp với cực âm sợi nano carbon/lưu huỳnh (CNF/S) linh hoạt ba chiều để chuẩn bị cấu trúc lớp kép hỗn hợp. Pin đầy với cấu trúc hai lớp này cho thấy hiệu suất tốt ở nhiệt độ phòng. Hiệu suất điện hóa, hiệu suất Coulombic đạt hơn 99%.
2. Nhờ cải thiện việc sử dụng chất dẫn ion nhanh (LLAZO) trong cấu trúc hỗn hợp, pin hoàn toàn ở trạng thái rắn sử dụng chất điện phân hỗn hợp s@LLAZO-60PEGDA thể hiện hiệu suất chu kỳ ổn định và tốc độ tuyệt vời sau 200 chu kỳ ở hiệu suất nhiệt độ phòng (đến 10C).
3. Các sợi nano LLTO được pha tạp với nhôm và sau đó được phủ một lớp lithium photphat để tạo thành một mạng dẫn ion lithium liên tục, giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển các ion lithium trên các sợi nano LLTO. Độ dẫn ion của PVDF-HFP/LLTO/Li3PO4 đạt 5,1×10-4S/cm và toàn bộ pin sử dụng chất điện phân và cực dương kim loại lithium này có hiệu suất chu kỳ và khả năng tốc độ tốt. Nghiên cứu này chứng minh rằng sức mạnh tổng hợp giữa các sợi gốm nano và polyme có tác động đáng kể đến hiệu suất điện hóa của chất điện phân tổng hợp.