Công nghệ nano hiện nay - Thông cáo báo chí: Con đường trước đây chưa được biết đến đối với pin có năng lượng cao, chi phí thấp và tuổi thọ cao: Cơ chế phản ứng mới được phát hiện khắc phục sự suy giảm hiệu suất nhanh chóng ở pin lithium-lưu huỳnh

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Trang Chủ > Ấn Bản > Con đường trước đây chưa được biết đến để tạo ra pin có năng lượng cao, chi phí thấp và tuổi thọ cao: Cơ chế phản ứng mới được phát hiện khắc phục sự suy giảm hiệu suất nhanh chóng của pin lithium-lưu huỳnh

Các con đường phản ứng khác nhau từ lithium polysulfide (Li₂S₆) đến lithium sulfide (Li₂S) trong pin lithium-lưu huỳnh có chất xúc tác (trái) và không có (phải) trong cực âm lưu huỳnh. TÍN DỤNG
(Hình ảnh của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.)

Tóm tắt:
Các nhà khoa học khám phá ra con đường đáng ngạc nhiên để tạo ra pin lithium-lưu huỳnh tốt hơn bằng cách hình dung các phản ứng ở quy mô nguyên tử.

Con đường trước đây chưa được biết đến để tạo ra pin có năng lượng cao, chi phí thấp và tuổi thọ cao: Cơ chế phản ứng mới được phát hiện khắc phục sự suy giảm hiệu suất nhanh chóng của pin lithium-lưu huỳnh

Lemont, IL | Đăng vào ngày 8 tháng 2023 năm XNUMX

Con đường từ bước đột phá trong phòng thí nghiệm đến công nghệ thực tế có thể là một chặng đường dài và gập ghềnh. Pin lithium-lưu huỳnh là một ví dụ. Nó có những ưu điểm đáng chú ý so với các phương tiện chạy bằng pin lithium-ion hiện tại. Nhưng nó vẫn chưa làm ảnh hưởng đến thị trường mặc dù đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm.

Tình trạng đó có thể thay đổi trong tương lai nhờ nỗ lực của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (DOE). Trong thập kỷ qua, họ đã thực hiện được một số khám phá quan trọng liên quan đến pin lithium-lưu huỳnh. Tiết lộ mới nhất của họ, được công bố trên tạp chí Nature, đã mở khóa một cơ chế phản ứng chưa được biết đến trước đây nhằm giải quyết một thiếu sót lớn – tuổi thọ rất ngắn của pin.

Gui-Liang Xu, nhà hóa học thuộc bộ phận Kỹ thuật và Khoa học Hóa học của Argonne, tuyên bố rằng “Nỗ lực của nhóm chúng tôi có thể đưa Hoa Kỳ tiến một bước lớn hơn tới bối cảnh giao thông xanh hơn và bền vững hơn”.

Pin lithium-lưu huỳnh có ba ưu điểm đáng kể so với pin lithium-ion hiện tại. Thứ nhất, chúng có thể lưu trữ năng lượng gấp hai đến ba lần trong một thể tích nhất định, giúp xe có thể đi được quãng đường dài hơn. Thứ hai, chi phí thấp hơn, nhờ nguồn lưu huỳnh dồi dào và giá cả phải chăng, khiến chúng có hiệu quả kinh tế. Cuối cùng, những loại pin này không phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên quan trọng như coban và niken, những nguồn tài nguyên có thể bị thiếu hụt trong tương lai.

Bất chấp những lợi ích này, việc chuyển đổi từ thành công trong phòng thí nghiệm sang khả năng tồn tại về mặt thương mại đã được chứng minh là khó nắm bắt. Các tế bào trong phòng thí nghiệm đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn, nhưng khi được mở rộng đến kích thước thương mại, hiệu suất của chúng giảm nhanh chóng khi sạc và xả nhiều lần.

Nguyên nhân cơ bản của sự suy giảm hiệu suất này nằm ở sự hòa tan lưu huỳnh từ cực âm trong quá trình phóng điện, dẫn đến sự hình thành các polysulfua lithium hòa tan (Li2S6). Các hợp chất này chảy vào điện cực âm kim loại lithium (cực dương) trong quá trình sạc, khiến vấn đề càng trầm trọng hơn. Do đó, sự mất lưu huỳnh từ cực âm và sự thay đổi thành phần cực dương cản trở đáng kể hiệu suất của pin trong quá trình đạp xe.

Trong một nghiên cứu gần đây trước đó, các nhà khoa học Argonne đã phát triển một vật liệu xúc tác mà khi thêm một lượng nhỏ vào cực âm lưu huỳnh, về cơ bản sẽ loại bỏ được vấn đề thất thoát lưu huỳnh. Trong khi chất xúc tác này tỏ ra đầy hứa hẹn trong cả tế bào cỡ phòng thí nghiệm và tế bào thương mại, cơ chế hoạt động ở quy mô nguyên tử của nó vẫn còn là một bí ẩn cho đến nay.

Nghiên cứu gần đây nhất của nhóm đã làm sáng tỏ cơ chế này. Trong trường hợp không có chất xúc tác, lithium polysulfide hình thành trên bề mặt cathode và trải qua một loạt phản ứng, cuối cùng chuyển cathode thành lithium sulfide (Li2S).

Xu cho biết: “Nhưng sự hiện diện của một lượng nhỏ chất xúc tác ở cực âm đã tạo nên sự khác biệt. Sau đó sẽ có một lộ trình phản ứng khác hẳn, không có các bước phản ứng trung gian.”

Điều quan trọng là sự hình thành các bọt lithium polysulfide có kích thước nano dày đặc trên bề mặt cực âm, chúng sẽ không xuất hiện nếu không có chất xúc tác. Các polysulfua lithium này nhanh chóng lan rộng khắp cấu trúc cực âm trong quá trình phóng điện và biến đổi thành lithium sulfide bao gồm các tinh thể có kích thước nano. Quá trình này ngăn chặn sự thất thoát lưu huỳnh và suy giảm hiệu suất trong các tế bào cỡ thương mại.

Để mở khóa hộp đen xung quanh cơ chế phản ứng này, các nhà khoa học đã sử dụng các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến. Các phân tích cấu trúc của chất xúc tác với chùm tia X synchrotron cường độ cao ở đường truyền 20-BM của Nguồn Photon nâng cao, cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE, cho thấy rằng nó đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng. Cấu trúc chất xúc tác ảnh hưởng đến hình dạng và thành phần của sản phẩm cuối cùng khi phóng điện cũng như các sản phẩm trung gian. Với chất xúc tác, lithium sulfua tinh thể nano hình thành khi phóng điện hoàn toàn. Nếu không có chất xúc tác, thay vào đó sẽ hình thành các cấu trúc hình que cực nhỏ.

“Nỗ lực của nhóm chúng tôi có thể đưa Hoa Kỳ tiến một bước lớn hơn tới bối cảnh giao thông xanh hơn và bền vững hơn.” — Gui-Liang Xu, nhà hóa học thuộc bộ phận Kỹ thuật và Khoa học Hóa học của Argonne

Một kỹ thuật quan trọng khác được phát triển tại Đại học Hạ Môn cho phép nhóm nghiên cứu hình dung được giao diện điện cực-điện phân ở cấp độ nano trong khi tế bào thử nghiệm đang hoạt động. Kỹ thuật mới được phát minh này đã giúp kết nối những thay đổi ở cấp độ nano với hoạt động của một tế bào đang hoạt động.

Xu lưu ý: “Dựa trên khám phá thú vị của chúng tôi, chúng tôi sẽ thực hiện nhiều nghiên cứu hơn để thiết kế các cực âm lưu huỳnh thậm chí còn tốt hơn”. “Cũng rất đáng để khám phá xem liệu cơ chế này có áp dụng cho các loại pin thế hệ tiếp theo khác hay không, chẳng hạn như natri-lưu huỳnh.”

Với bước đột phá mới nhất của nhóm, tương lai của pin lithium-lưu huỳnh sẽ tươi sáng hơn, mang đến giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường hơn cho ngành vận tải.

Một bài viết về nghiên cứu này đã xuất hiện trên tạp chí Nature. Ngoài Xu, các tác giả còn có Shiyuan Chu, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun và Hong-Gang Liao.

Các tổ chức tham gia khác bao gồm Đại học Hạ Môn, Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh và Đại học Nam Kinh. Nghiên cứu của Argonne được hỗ trợ bởi Văn phòng Công nghệ Phương tiện DOE thuộc Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng tái tạo.

Giới thiệu về nguồn Photon nâng cao

Nguồn Photon Tiên tiến (APS) của Văn phòng Khoa học Năng lượng Hoa Kỳ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne là một trong những cơ sở cung cấp nguồn sáng tia X hiệu quả nhất thế giới. APS cung cấp các chùm tia X có độ sáng cao cho một cộng đồng đa dạng các nhà nghiên cứu về khoa học vật liệu, hóa học, vật lý vật chất ngưng tụ, khoa học đời sống và môi trường cũng như nghiên cứu ứng dụng. Những tia X này rất phù hợp để khám phá vật liệu và cấu trúc sinh học; phân bố nguyên tố; trạng thái hóa học, từ tính, điện tử; và một loạt các hệ thống kỹ thuật quan trọng về mặt công nghệ từ pin đến vòi phun nhiên liệu, tất cả đều là nền tảng cho sự thịnh vượng về kinh tế, công nghệ và thể chất của quốc gia chúng ta. Mỗi năm, hơn 5,000 nhà nghiên cứu sử dụng APS để sản xuất hơn 2,000 ấn phẩm mô tả chi tiết những khám phá có tác động và giải quyết các cấu trúc protein sinh học quan trọng hơn so với người dùng của bất kỳ cơ sở nghiên cứu nguồn sáng tia X nào khác. Các nhà khoa học và kỹ sư APS đổi mới công nghệ vốn là trọng tâm của việc thúc đẩy các hoạt động của máy gia tốc và nguồn sáng. Điều này bao gồm các thiết bị chèn tạo ra tia X có độ sáng cực cao được các nhà nghiên cứu đánh giá cao, thấu kính hội tụ tia X xuống một vài nanomet, thiết bị tối đa hóa cách tia X tương tác với các mẫu đang được nghiên cứu và phần mềm thu thập và quản lý lượng dữ liệu khổng lồ thu được từ nghiên cứu khám phá tại APS.

Nghiên cứu này đã sử dụng tài nguyên của Nguồn Photon Nâng cao, Cơ sở Người dùng của Văn phòng Khoa học DOE Hoa Kỳ do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne vận hành cho Văn phòng Khoa học DOE theo Hợp đồng số DE-AC02-06CH11357.

####

Giới thiệu về Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE / Argonne
Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề cấp bách của quốc gia về khoa học và công nghệ. Phòng thí nghiệm quốc gia đầu tiên của quốc gia, Argonne thực hiện các nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng hàng đầu trong hầu hết mọi lĩnh vực khoa học. Các nhà nghiên cứu của Argonne làm việc chặt chẽ với các nhà nghiên cứu từ hàng trăm công ty, trường đại học và các cơ quan liên bang, tiểu bang và thành phố để giúp họ giải quyết các vấn đề cụ thể của mình, nâng cao năng lực lãnh đạo khoa học của Hoa Kỳ và chuẩn bị cho quốc gia cho một tương lai tốt đẹp hơn. Với nhân viên từ hơn 60 quốc gia, Argonne được quản lý bởi UChi Chicago Argonne, LLC cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập https://energy.gov/science.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Diana Anderson
Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Argonne

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: