Một sơ đồ của pin cho thấy làm thế nào các ion lithium có thể quay trở lại điện cực lithium trong khi các polysulfide lithium không thể đi qua màng ngăn cách các điện cực. Ngoài ra, những sợi gai nhọn mọc ra từ điện cực lithium không thể làm ngắn pin bằng cách xuyên qua màng và chạm tới điện cực lưu huỳnh.
Màng pin mới được lấy cảm hứng từ sinh học đã cho phép một loại pin có dung lượng gấp năm lần so với thiết kế ion lithium tiêu chuẩn công nghiệp để chạy trong hơn một nghìn chu kỳ cần thiết để cung cấp năng lượng cho một chiếc ô tô điện.
Một mạng lưới các sợi nano aramid, được tái chế từ Kevlar, có thể cho phép pin lithium-lưu huỳnh vượt qua ngưỡng Achilles của vòng đời — số lần nó có thể được sạc và xả — một nhóm nghiên cứu của Đại học Michigan đã chỉ ra.
“Có một số báo cáo tuyên bố có vài trăm chu kỳ cho pin lithium-sulfur, nhưng nó đạt được với chi phí của các thông số khác – dung lượng, tốc độ sạc, khả năng phục hồi và an toàn. Thách thức hiện nay là tạo ra một loại pin có thể tăng tốc độ chu kỳ từ 10 chu kỳ trước đây lên hàng trăm chu kỳ và đáp ứng nhiều yêu cầu khác bao gồm cả chi phí, ” Nicholas Kotov , Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Irving Langmuir, người đứng đầu cho biết tìm kiếm.
“Kỹ thuật phỏng sinh học của những viên pin này tích hợp hai quy mô — phân tử và nano. Lần đầu tiên, chúng tôi tích hợp tính chọn lọc ion của màng tế bào và độ dẻo dai của sụn. Phương pháp tiếp cận hệ thống tích hợp của chúng tôi cho phép chúng tôi giải quyết những thách thức bao trùm của pin lithium-lưu huỳnh. ”
Trước đó, nhóm của ông đã dựa vào mạng lưới các sợi nano aramid được tẩm gel điện phân để ngăn chặn một trong những nguyên nhân chính gây ra vòng đời ngắn: các sợi đuôi gai phát triển từ điện cực này sang điện cực kia, xuyên qua màng. Độ dẻo dai của sợi aramid ngăn chặn các đuôi gai.
Nhưng pin lưu huỳnh lithium có một vấn đề khác: các phân tử nhỏ của lithium và lưu huỳnh hình thành và chảy đến lithium, tự gắn vào và làm giảm dung lượng của pin. Màng cần thiết để cho phép các ion liti di chuyển từ liti đến lưu huỳnh và ngược lại — và để chặn các hạt liti và lưu huỳnh, được gọi là polysulfua liti. Khả năng này được gọi là tính chọn lọc ion.
Ahmet Emre , một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và đồng tác giả đầu tiên của bài báo trên Nature Communications , cho biết: “Lấy cảm hứng từ các kênh ion sinh học, chúng tôi đã thiết kế đường cao tốc cho các ion liti, nơi các polysulfua liti không thể vượt qua các trạm thu phí.
Các ion lithium và polysulfide lithium có kích thước tương tự nhau, vì vậy nó không đủ để chặn các polysulfide lithium bằng cách tạo ra các kênh nhỏ. Bắt chước các lỗ rỗng trong màng sinh học, các nhà nghiên cứu của UM đã thêm một điện tích vào các lỗ trong màng pin.
Họ đã làm điều này bằng cách khai thác chính các polysulfua liti: Chúng dính vào các sợi nano aramid và các điện tích âm của chúng đẩy lùi các ion liti polysunfua tiếp tục hình thành ở điện cực lưu huỳnh. Tuy nhiên, các ion lithium tích điện dương có thể di chuyển tự do.
Chỉ nửa giờ sau, màng Celgard (trái) rò rỉ các polysulfua liti. Tuy nhiên, màng UM (bên phải) chặn hoàn toàn các polysulfua liti 96 giờ sau đó. Tín dụng hình ảnh: Ahmet Emre, Kotov Lab
Kotov cho biết: “Đạt được mức kỷ lục đối với nhiều thông số cho nhiều thuộc tính vật liệu là điều cần thiết đối với ắc quy ô tô. “Nó hơi giống với môn thể dục dụng cụ cho Thế vận hội — bạn phải hoàn hảo về mọi mặt, bao gồm cả tính bền vững của quá trình sản xuất”.
Với tư cách là một cục pin, Kotov nói rằng thiết kế này “gần như hoàn hảo”, với dung lượng và hiệu suất của nó đạt đến giới hạn lý thuyết. Nó cũng có thể xử lý các nhiệt độ khắc nghiệt của tuổi thọ ô tô, từ sức nóng của việc sạc đầy dưới ánh nắng mặt trời cho đến cái lạnh của mùa đông. Tuy nhiên, vòng đời của chu kỳ trong thế giới thực có thể ngắn hơn với sạc nhanh, giống như 1.000 chu kỳ, ông nói. Đây được coi là tuổi thọ mười năm.
Cùng với dung lượng cao hơn, pin lithium-lưu huỳnh có lợi thế về tính bền vững so với các loại pin lithium-ion khác. Lưu huỳnh dồi dào hơn nhiều so với coban của các điện cực lithium-ion. Ngoài ra, các sợi aramid của màng pin có thể được tái chế từ áo chống đạn cũ.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Bộ Quốc phòng. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu màng này tại Trung tâm Đặc tính Vật liệu Michigan . Đại học Michigan đã được cấp bằng sáng chế cho màng lọc và Kotov đang phát triển một công ty để đưa nó ra thị trường.
Kotov cũng là Giáo sư Kỹ thuật của Joseph B. và Florence V. Cejka và là giáo sư về kỹ thuật hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật cũng như khoa học và kỹ thuật đại phân tử.
Nguồn: https://news.umich.edu/
