Đang tải...
Đang tải...
Cấu trúc LLTO và hình học thực nghiệm. a, Cấu trúc tinh thể cơ bản của LLTO, bao gồm các lớp giàu và nghèo Li xen kẽ và các bát diện Ti và O. b, Mật độ một phần của các trạng thái (DOS) được tính toán cho LLTO và các chuyển đổi được chỉ định cho đầu dò XUV-SHG. c, Tổng quan về thiết lập thử nghiệm được sử dụng để đo dữ liệu XUV-SHG trong hình học phản xạ. Hình nhỏ cho thấy cấu trúc mẫu phân lớp với các lớp LLTO và LCO lặp lại. d, Biểu diễn sơ đồ của ngăn xếp LCO–LLTO tạo thành pin nguyên mẫu, với quy trình XUV-SHG được chỉ định trên bề mặt trên cùng; lưu ý rằng LLTO là đa tinh thể trong phim được đo mặc dù có biểu diễn sơ đồ. XFEL, laser điện tử tự do tia X. MCP, tấm vi kênh.
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, bao gồm các kỹ sư nano tại Đại học California San Diego, đã phát hiện ra những thay đổi ở cấp độ nano bên trong pin thể rắn có thể mang lại những hiểu biết mới về việc cải thiện hiệu suất của pin.
Sử dụng mô phỏng máy tính và thí nghiệm tia X, các nhà nghiên cứu có thể "thấy" chi tiết lý do tại sao các ion lithium di chuyển chậm trong chất điện phân rắn — cụ thể là ở giao diện điện cực-điện phân. Các nghiên cứu của họ tiết lộ rằng các rung động nhanh hơn ở giao diện khiến các ion lithium khó di chuyển đến đó hơn so với phần còn lại của vật liệu. Phát hiện của họ, được công bố vào ngày 27 tháng 4 trên tạp chí Nature Materials , có thể dẫn đến các chiến lược mới để tăng cường độ dẫn ion trong pin thể rắn.
Pin thể rắn, chứa chất điện phân làm bằng vật liệu rắn, hứa hẹn sẽ an toàn hơn, cũng như bền lâu hơn và hiệu quả hơn so với pin lithium-ion truyền thống có chất điện phân lỏng dễ cháy.
Nhưng một vấn đề lớn với những loại pin này là sự chuyển động của các ion lithium bị hạn chế hơn, đặc biệt là khi chất điện phân tiếp xúc với điện cực.
"Khả năng tạo ra pin thể rắn tốt hơn của chúng tôi bị cản trở bởi thực tế là chúng tôi không biết chính xác điều gì đang xảy ra ở giao diện giữa hai chất rắn này", Tod Pascal, đồng tác giả nghiên cứu, giáo sư về kỹ thuật nano và kỹ thuật hóa học, cho biết. thành viên của Trung tâm năng lượng và năng lượng bền vững tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs. "Công việc này cung cấp một kính hiển vi mới để xem xét các loại giao diện này. Bằng cách xem những gì các ion lithium đang làm và hiểu cách chúng di chuyển qua pin, chúng tôi có thể bắt đầu các cách kỹ thuật để đưa chúng qua lại hiệu quả hơn."
Đối với nghiên cứu này, Pascal đã hợp tác với cộng tác viên lâu năm của mình, Michael Zuerch, giáo sư hóa học tại UC Berkeley, để phát triển một kỹ thuật thăm dò trực tiếp các ion lithium tại giao diện. Trong ba năm qua, hai nhóm đã nghiên cứu phát triển một phương pháp quang phổ hoàn toàn mới để thăm dò các giao diện chức năng bị chôn vùi, chẳng hạn như các giao diện có trong pin. Phòng thí nghiệm của Pascal dẫn đầu công việc lý thuyết, trong khi phòng thí nghiệm của Zuerch dẫn đầu công việc thực nghiệm.
Kỹ thuật mới mà họ phát triển kết hợp hai cách tiếp cận đã được thiết lập. Đầu tiên là quang phổ hấp phụ tia X, bao gồm việc chiếu một vật liệu bằng chùm tia X để xác định cấu trúc nguyên tử của nó. Phương pháp này rất hữu ích để thăm dò các ion lithium ở sâu bên trong vật liệu, nhưng không phải ở bề mặt tiếp xúc. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp thứ hai, được gọi là thế hệ hài hòa thứ hai, có thể xác định các nguyên tử cụ thể tại một giao diện.
Nó liên quan đến việc va chạm vào các nguyên tử bằng hai xung liên tiếp của các hạt năng lượng cao—trong trường hợp này là các chùm tia X cường độ cao ở một năng lượng xác định—để các electron có thể đạt tới trạng thái năng lượng cao, được gọi là trạng thái kích thích kép. Trạng thái kích thích này không tồn tại lâu, có nghĩa là các electron cuối cùng trở về trạng thái cơ bản và giải phóng năng lượng bị hấp phụ, năng lượng này sau đó được phát hiện dưới dạng tín hiệu. Mấu chốt ở đây là chỉ một số nguyên tử nhất định, chẳng hạn như những nguyên tử ở mặt phân cách, mới có thể trải qua sự kích thích kép này. Do đó, các tín hiệu được phát hiện từ các thí nghiệm này sẽ nhất thiết và chỉ cung cấp thông tin về những gì đang xảy ra ngay tại giao diện, Pascal giải thích.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này trên một mô hình pin thể rắn bao gồm hai vật liệu pin thường được sử dụng: oxit titan lanthanum lithium làm chất điện phân rắn và oxit lithium coban làm cực âm.
Để xác minh rằng các tín hiệu mà họ nhìn thấy thực sự đến từ giao diện, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một loạt các mô phỏng trên máy tính, dựa trên các phương pháp được phát triển trong nhóm nghiên cứu của Pascal. Khi các nhà nghiên cứu so sánh dữ liệu thử nghiệm và tính toán, họ nhận thấy rằng các tín hiệu khớp gần như chính xác.
"Công trình lý thuyết cho phép chúng tôi điền vào chỗ trống và cung cấp sự rõ ràng về các tín hiệu mà chúng tôi thấy trong các thí nghiệm", đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Sasawat Jamnuch, tiến sĩ kỹ thuật nano cho biết. sinh viên trong nhóm nghiên cứu của Pascal vừa bảo vệ luận án tiến sĩ. "Nhưng một lợi thế lớn hơn của lý thuyết là chúng ta có thể sử dụng nó để trả lời các câu hỏi bổ sung. Ví dụ, tại sao những tín hiệu này lại xuất hiện theo cách của chúng?"
Jamnuch và Pascal đã tiến xa hơn một bước. Họ đã lập mô hình động lực học của các ion lithium trong chất điện phân rắn và phát hiện ra một điều bất ngờ. Họ phát hiện ra rằng các rung động tần số cao đang xảy ra ở giao diện chất điện phân và những rung động này hạn chế hơn nữa chuyển động của các ion lithium so với các rung động ở phần còn lại của vật liệu.
Jamnuch cho biết: “Đây là một trong những phát hiện chính của nghiên cứu này mà chúng tôi có thể trích xuất bằng lý thuyết. Các nhà nghiên cứu về pin từ lâu đã nghi ngờ rằng sự không tương thích giữa chất điện phân rắn và vật liệu điện cực đã hạn chế chuyển động của các ion lithium tại giao diện. Bây giờ, Jamnuch, Pascal và các đồng nghiệp cho thấy rằng có một thứ khác cũng đang diễn ra.
Pascal cho biết: “Thực sự có một số lực cản nội tại đối với chuyển động của ion trong vật liệu này ngay tại giao diện. "Rào cản để các ion lithium đi qua không chỉ là chức năng của hai vật liệu rắn không tương thích về mặt cơ học với nhau, nó còn là chức năng của các rung động trong chính vật liệu đó."
Ông mô tả rào cản đối với chuyển động của ion tương tự như những gì một quả bóng sẽ trải qua nếu nó nảy bên trong một căn phòng nơi các bức tường cũng đang chuyển động.
"Hãy tưởng tượng một căn phòng có một quả bóng ở phía sau, và quả bóng đang cố di chuyển lên phía trước," ông nói. "Bây giờ hãy tưởng tượng rằng các cạnh của căn phòng cũng đang chuyển động qua lại, khiến quả bóng nảy từ bên này sang bên kia. Tổng năng lượng được bảo toàn, vì vậy nếu quả bóng nảy nhiều hơn từ bên này sang bên kia, thì nó phải di chuyển từ sau ra trước ít hơn. Nói cách khác, các bên di chuyển càng nhanh thì thời gian bóng nảy xung quanh càng nhiều và càng mất nhiều thời gian để di chuyển về phía trước.
"Tương tự như vậy, trong các loại pin thể rắn này , con đường mà các ion lithium đi qua vật liệu bị ảnh hưởng bởi thực tế là bản thân vật liệu đó đang dao động ở tần số cao hơn ở bề mặt giao diện so với ở tần số lớn. Vì vậy, ngay cả khi có khả năng tương thích hoàn hảo giữa chất điện phân và vật liệu điện cực, vẫn sẽ có khả năng chống lại sự khuếch tán lithium qua giao diện do những rung động tần số cao này."
Nhờ công việc tính toán của họ, các nhà nghiên cứu đã đặt nền móng cho các thiết kế pin thể rắn trong tương lai.
Jamnuch cho biết: “Một ý tưởng là làm chậm các rung động tại giao diện của vật liệu điện phân rắn. "Bạn có thể làm điều đó bằng cách pha tạp giao diện với các yếu tố nặng chẳng hạn."
Pascal cho biết : “Bây giờ chúng tôi đã hiểu thêm về cách các ion lithium đi qua hệ thống này, chúng tôi có thể thiết kế một cách hợp lý các hệ thống mới giúp các ion đi qua dễ dàng hơn”. "Chúng tôi đã tìm thấy các nút bấm mới để xoay, những cách mới để tối ưu hóa các hệ thống này."
