Vào ngày 21 tháng 8, Giáo sư MA Cheng từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) và các cộng sự đã đề xuất một chiến lược hiệu quả để giải quyết vấn đề tiếp xúc điện cực-chất điện phân đang hạn chế sự phát triển của pin Li thể rắn thế hệ tiếp theo. Điện cực composite rắn-rắn được tạo ra theo cách này đã thể hiện dung lượng và hiệu suất tốc độ vượt trội.
Việc thay thế chất điện phân lỏng hữu cơ trong pin Li-ion thông thường bằng chất điện phân rắn có thể giảm đáng kể các vấn đề về an toàn và có khả năng phá vỡ "trần kính" trong việc cải thiện mật độ năng lượng. Tuy nhiên, vật liệu điện cực phổ biến cũng là chất rắn. Do tiếp xúc giữa hai chất rắn gần như không thể chặt chẽ như tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng, nên hiện nay pin sử dụng chất điện phân rắn thường có tiếp xúc điện cực-chất điện phân kém và hiệu suất toàn cell không đạt yêu cầu.
"Vấn đề tiếp xúc điện cực-chất điện phân của pin thể rắn cũng giống như thanh gỗ ngắn nhất của một thùng gỗ vậy", Giáo sư MA Cheng từ USTC, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. "Thực tế, trong những năm qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều điện cực và chất điện phân rắn tuyệt vời, nhưng tiếp xúc kém giữa chúng vẫn đang hạn chế hiệu quả vận chuyển Li-ion."
May mắn thay, chiến lược của MA có thể vượt qua thách thức to lớn này. Nghiên cứu bắt đầu bằng việc kiểm tra từng nguyên tử một pha tạp chất trong một nguyên mẫu điện phân rắn có cấu trúc perovskite. Mặc dù cấu trúc tinh thể giữa tạp chất và chất điện phân rắn rất khác nhau, nhưng người ta quan sát thấy chúng tạo thành các giao diện epitaxial. Sau một loạt các phân tích cấu trúc và hóa học chi tiết, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng pha tạp chất có cấu trúc đồng nhất với các điện cực phân lớp giàu Li dung lượng cao. Điều này có nghĩa là, một nguyên mẫu điện phân rắn có thể kết tinh trên "khuôn mẫu" được hình thành bởi khung nguyên tử của một điện cực hiệu suất cao, tạo ra các giao diện gần gũi về mặt nguyên tử.
“Đây thực sự là một điều bất ngờ,” tác giả đầu tiên LI Fuzhen, hiện đang là nghiên cứu sinh tại USTC, cho biết. “Sự hiện diện của tạp chất trong vật liệu thực ra là một hiện tượng rất phổ biến, phổ biến đến mức hầu hết chúng đều bị bỏ qua. Tuy nhiên, sau khi xem xét kỹ lưỡng, chúng tôi đã phát hiện ra hành vi epitaxial bất ngờ này, và nó đã trực tiếp truyền cảm hứng cho chiến lược cải thiện tiếp xúc rắn-rắn của chúng tôi.”
So với phương pháp ép lạnh thường được áp dụng, chiến lược do các nhà nghiên cứu đề xuất có thể tạo ra sự tiếp xúc hoàn toàn, liền mạch giữa chất điện phân rắn và điện cực ở quy mô nguyên tử, như được phản ánh trong hình ảnh kính hiển vi điện tử có độ phân giải nguyên tử. (Do nhóm của MA cung cấp)
Tận dụng hiện tượng quan sát được, các nhà nghiên cứu đã cố tình kết tinh bột vô định hình có cùng thành phần với chất điện phân rắn có cấu trúc perovskite trên bề mặt của một hợp chất phân lớp giàu Li, và tạo ra thành công một tiếp xúc hoàn toàn, liền mạch giữa hai vật liệu rắn này trong một điện cực composite. Với vấn đề tiếp xúc điện cực-chất điện phân được giải quyết, một điện cực composite rắn-rắn như vậy mang lại khả năng tốc độ thậm chí tương đương với điện cực composite rắn-lỏng. Quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng loại tiếp xúc rắn-rắn epitaxial này có thể chịu được sự không khớp mạng lớn, và do đó, chiến lược mà họ đề xuất cũng có thể áp dụng cho nhiều chất điện phân rắn perovskite và điện cực phân lớp khác.
“Nghiên cứu này đã chỉ ra một hướng đi đáng theo đuổi,” MA nói. “Việc áp dụng nguyên lý được nêu ra ở đây vào các vật liệu quan trọng khác có thể dẫn đến hiệu suất tế bào tốt hơn nữa và khoa học thú vị hơn. Chúng tôi rất mong chờ điều đó.”
Các nhà nghiên cứu có ý định tiếp tục khám phá theo hướng này và áp dụng chiến lược đề xuất cho các catốt có công suất và điện thế cao khác.
Nghiên cứu được công bố trên Matter, tạp chí hàng đầu của Cell Press, với tựa đề “Tiếp xúc gần gũi về mặt nguyên tử giữa chất điện phân rắn và điện cực cho pin Li”. Tác giả đầu tiên là LI Fuzhen, nghiên cứu sinh của USTC. Các cộng sự của Giáo sư MA Cheng bao gồm Giáo sư NAN Ce-Wen từ Đại học Thanh Hoa và Tiến sĩ ZHOU Lin từ Phòng thí nghiệm Ames.
(Khoa Hóa học và Khoa học Vật liệu)
Liên kết bài báo: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Thời gian đăng: 03-06-2019