Vai trò của ủ trong việc cải thiện hiệu suất của pin lithium ở trạng thái rắn

Pin lithium thể rắn đã trở thành cơn sốt mới trong khoa học và kỹ thuật vật liệu khi pin lithium-ion thông thường không còn đáp ứng được các tiêu chuẩn cho các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như xe điện, vốn đòi hỏi mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và chu kỳ dài. cuộc sống. Pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng có trong pin truyền thống, không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn này mà còn tương đối an toàn và thuận tiện hơn vì chúng có khả năng sạc trong thời gian ngắn.

Tuy nhiên, chất điện phân rắn đi kèm với thách thức riêng của nó. Nó chỉ ra rằng giao diện giữa điện cực dương và chất điện phân rắn cho thấy một điện trở lớn mà nguồn gốc của nó vẫn chưa được hiểu rõ. Hơn nữa, điện trở tăng lên khi bề mặt điện cực tiếp xúc với không khí, làm giảm dung lượng và hiệu suất của pin. Trong khi một số nỗ lực đã được thực hiện để giảm điện trở, không có nỗ lực nào có thể hạ được nó xuống 10 Ω cm² (ohm centimet bình phương), giá trị điện trở giao diện được báo cáo khi không tiếp xúc với không khí.

Bây giờ, trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Taro Hitosugi từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), Nhật Bản và Shigeru Kobayashi, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Tokyo Tech, dẫn đầu, có thể cuối cùng đã giải quyết được vấn đề này. Bằng cách thiết lập một chiến lược để khôi phục điện trở giao diện thấp cũng như làm sáng tỏ cơ chế làm giảm sự giảm này, nhóm đã cung cấp những hiểu biết có giá trị về việc sản xuất pin thể rắn toàn phần hiệu suất cao. Nghiên cứu này là kết quả của một nghiên cứu chung của Tokyo Tech, Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) và Đại học Yamagata.

Để bắt đầu, nhóm đã chuẩn bị pin màng mỏng bao gồm một điện cực âm lithium, LiCoO₂ điện cực dương và một Li₃PO₄ chất điện phân rắn. Trước khi hoàn thành việc chế tạo pin, nhóm đã tiếp xúc với LiCoO₂ mặt tiếp xúc với không khí, nitơ (N₂), oxy (O₂), khí cacbonic (CO₂), hydro (H₂) và hơi nước (H₂O) trong 30 phút.

Thật ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng việc tiếp xúc với N₂, Ô₂, CO₂, và H₂, không làm giảm hiệu suất của pin so với pin không tiếp xúc. “Chỉ H₂Hơi O khử mạnh Li₃PO₄ – LiCoO₂ Giáo sư Hitosugi nói.

Tiếp theo, nhóm thực hiện một quy trình gọi là "ủ", trong đó mẫu được xử lý nhiệt ở 150°C trong một giờ ở dạng pin, tức là với điện cực âm được lắng đọng. Thật ngạc nhiên, điều này làm giảm điện trở xuống còn 10.3 Ω cm², có thể so sánh với pin chưa được phơi sáng!

Bằng cách thực hiện các mô phỏng số và các phép đo tiên tiến, nhóm nghiên cứu sau đó tiết lộ rằng sự suy giảm có thể là do sự loại bỏ tự phát các proton từ bên trong LiCoO₂ cấu trúc trong quá trình ủ.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các proton trong LiCoO₂ cấu trúc đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phục hồi. Chúng tôi hy vọng rằng việc làm sáng tỏ các quá trình vi mô giao thoa này sẽ giúp mở rộng tiềm năng ứng dụng của pin thể rắn,” Giáo sư Hitosugi kết luận.