Đang tải...
Đang tải...
Ảnh: Pixabay/CC0 Public Domain
Nhiều chủ sở hữu xe điện lo lắng về việc pin của họ sẽ hiệu quả như thế nào trong thời tiết rất lạnh. Bây giờ một hóa học pin mới có thể đã giải quyết vấn đề đó.
Trong pin lithium-ion hiện tại, vấn đề chính nằm ở chất điện phân lỏng. Thành phần quan trọng của pin này chuyển các hạt mang điện được gọi là ion giữa hai điện cực của pin, khiến pin sạc và xả. Nhưng chất lỏng bắt đầu đóng băng ở nhiệt độ dưới không. Tình trạng này hạn chế nghiêm trọng hiệu quả của việc sạc xe điện ở vùng lạnh và mùa lạnh.
Để giải quyết vấn đề đó, một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát triển một chất điện phân có chứa flo hoạt động tốt ngay cả ở nhiệt độ dưới 0.
Nghiên cứu xuất hiện trong Advanced Energy Materials.
"Nhóm của chúng tôi không chỉ tìm thấy một chất điện phân chống đông có hiệu suất sạc không giảm ở âm 4 độ F, mà chúng tôi còn phát hiện ra, ở cấp độ nguyên tử, điều gì làm cho nó hiệu quả như vậy", Zhengcheng "John" Zhang, một nhà hóa học cao cấp và trưởng nhóm trong bộ phận Khoa học và Kỹ thuật Hóa học của Argonne cho biết.
Chất điện phân nhiệt độ thấp này cho thấy hứa hẹn hoạt động cho pin trong xe điện, cũng như trong việc lưu trữ năng lượng cho lưới điện và các thiết bị điện tử tiêu dùng như máy tính và điện thoại.
Trong pin lithium-ion ngày nay, chất điện phân là hỗn hợp của một loại muối có sẵn rộng rãi (lithium hexafluorophosphate) và dung môi cacbonat như ethylene carbonate. Các dung môi hòa tan muối để tạo thành chất lỏng.
Khi pin được sạc, chất điện phân lỏng sẽ chuyển các ion lithium từ cực âm (một oxit chứa lithium) đến cực dương (than chì). Các ion này di chuyển ra khỏi cực âm, sau đó đi qua chất điện phân trên đường vào cực dương. Trong khi được vận chuyển qua chất điện phân, chúng nằm ở trung tâm của các cụm gồm bốn hoặc năm phân tử dung môi.
a) Sơ đồ thiết kế dung môi chuyển đổi từ cacbonat sang este flo hóa. b) Phân tích điện tích nguyên tử của các nhóm carbonyl trong EA, EA-f, f-EA và f-EA-f.
Trong vài lần sạc ban đầu, các cụm này tấn công bề mặt cực dương và tạo thành một lớp bảo vệ gọi là xen kẽ chất điện phân rắn. Sau khi hình thành, lớp này hoạt động như một bộ lọc. Nó chỉ cho phép các ion liti đi qua lớp trong khi chặn các phân tử dung môi. Bằng cách này, cực dương có thể lưu trữ các nguyên tử lithium trong cấu trúc của than chì tích điện. Khi phóng điện, các phản ứng điện hóa giải phóng các electron từ lithium tạo ra điện có thể cung cấp năng lượng cho xe.
Vấn đề là ở nhiệt độ lạnh, chất điện phân với dung môi cacbonat bắt đầu đóng băng. Kết quả là, nó mất khả năng vận chuyển các ion liti vào cực dương khi tích điện. Điều này là do các ion liti liên kết rất chặt chẽ trong các cụm dung môi. Do đó, các ion này đòi hỏi năng lượng cao hơn nhiều để sơ tán các cụm của chúng và xâm nhập vào lớp giao diện so với ở nhiệt độ phòng. Vì lý do đó, các nhà khoa học đã tìm kiếm một dung môi tốt hơn.
Nhóm nghiên cứu đã điều tra một số dung môi chứa flo. Họ đã có thể xác định thành phần có rào cản năng lượng thấp nhất để giải phóng các ion liti từ các cụm ở nhiệt độ dưới không. Họ cũng xác định ở quy mô nguyên tử tại sao thành phần đặc biệt đó hoạt động tốt như vậy. Nó phụ thuộc vào vị trí của các nguyên tử flo trong mỗi phân tử dung môi và số lượng của chúng.
Trong thử nghiệm với các tế bào trong phòng thí nghiệm, chất điện phân flo hóa của nhóm vẫn giữ được khả năng lưu trữ năng lượng ổn định trong 400 chu kỳ phóng điện ở âm 4 F. Ngay cả ở nhiệt độ dưới <> độ đó, công suất tương đương với một tế bào có chất điện phân dựa trên cacbonat thông thường ở nhiệt độ phòng.
"Do đó, nghiên cứu của chúng tôi đã chứng minh cách điều chỉnh cấu trúc nguyên tử của dung môi điện phân để thiết kế các chất điện phân mới cho nhiệt độ dưới 0 độ", Zhang nói.
Chất điện phân chống đông có đặc tính thưởng. Nó an toàn hơn nhiều so với các chất điện phân dựa trên cacbonat hiện đang được sử dụng, vì nó sẽ không bắt lửa.
"Chúng tôi đang cấp bằng sáng chế cho chất điện phân ở nhiệt độ thấp và an toàn hơn và hiện đang tìm kiếm một đối tác công nghiệp để điều chỉnh nó cho phù hợp với một trong những thiết kế của họ cho pin lithium-ion", Zhang nói.
Ngoài John Zhang, các tác giả của Argonne là Dong-Joo Yoo, Qian Liu và Minkyu Kim. Các tác giả của Phòng thí nghiệm Berkeley là Orion Cohen và Kristin Persson.
