Theo báo cáo từ truyền thông quốc tế, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát triển và trình diễn một phương pháp đổi mới để đánh giá hiện tượng lão hóa lâu dài của tế bào pin trong thế giới thực. Phương pháp này dựa trên cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), thường được sử dụng trong hình ảnh y tế. Đây là chức năng quang phổ NMR đầu tiên trong lịch sử có thể theo dõi chi tiết cách các thành phần hóa học của tế bào pin mềm thương mại thay đổi trong quá trình hoạt động qua nhiều năm.
Quang phổ NMR là một kỹ thuật không phá hủy, không xâm lấn, dựa vào từ tính của hạt nhân nguyên tử để nghiên cứu môi trường hóa học trong mẫu. Nó áp dụng trường sóng vô tuyến cho mẫu đã được đặt trong một trường từ mạnh, khiến mẫu hấp thụ năng lượng; sau đó loại bỏ trường sóng vô tuyến và đo năng lượng được phát ra khi các hạt nhân quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn. Những phép đo này cung cấp cái nhìn về cấu trúc và phản ứng của nguyên tử và phân tử, bao gồm cả cấu trúc và phản ứng trong vật liệu pin.
Chức năng NMR mới của Argonne có sẵn cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất pin. Baris Key, nhà nghiên cứu hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, cho biết: “Cho đến nay, ứng dụng NMR trong lĩnh vực pin còn rất hạn chế. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất muốn khám phá xu hướng biến đổi lâu dài của pin mà không cần mở pin, tôi hy vọng chức năng mạnh mẽ mới này có thể giúp họ. Chúng tôi có thể nghiên cứu công nghệ đã hoặc sắp được thương mại hóa.”
Sử dụng NMR để phát hiện pin anode silicon
Pin lithium-ion ngày nay chuyển giao ion lithium qua lại giữa hai điện cực thông qua điện phân, chuyển đổi năng lượng đã lưu trữ thành năng lượng điện. Trong ô tô điện, phần lớn anode (cực âm) của pin lithium-ion được làm từ graphite. Tuy nhiên, để kéo dài quãng đường hoạt động, cần sử dụng vật liệu điện cực mới có mật độ năng lượng cao hơn, chẳng hạn như silicon.
Để tận dụng tối đa silicon anode, còn một số thách thức kỹ thuật cần được giải quyết. Khi tế bào pin anode silicon được sạc, ion lithium kết hợp với silicon tạo thành hợp chất lithium silicide, dẫn đến việc tăng thể tích anode lên đến 400%; khi pin xả, lithium sẽ thoát khỏi anode, dẫn đến việc anode co lại. Sự giãn nở và co lại này có thể gây ra sự vỡ của anode silicon. Ngoài ra, tính phản ứng của lithium silicide rất mạnh, điều này dẫn đến giao diện với điện phân của tế bào pin không ổn định.
Trong nghiên cứu tại Argonne, các nhà nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ quang phổ NMR để quan sát quá trình biến đổi của các nguyên tử lithium trong tế bào pin anode silicon trong quá trình sạc và xả, sau đó được đặt trong hơn bảy tháng. Kỹ thuật này tương tự như hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) được sử dụng trong y học để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể con người. Nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Argonne, Evelyna Wang cho biết: “Những gì chúng tôi làm trong nghiên cứu, giống như chụp ảnh cộng hưởng từ cho tế bào pin đang hoạt động, chỉ có điều là chúng tôi không tạo ra hình ảnh của tế bào. Mặt khác, những thông tin này liên quan đến cách môi trường hóa học của lithium trong tế bào thay đổi do việc sạc, xả, đặt và lão hóa. Những thông tin này cho phép chúng tôi xác định vị trí của các nguyên tử lithium, chúng tương tác như thế nào với các nguyên tử khác, có bao nhiêu nguyên tử lithium tham gia vào những tương tác này và liệu có quá trình suy thoái liên quan hay không. Mục tiêu của chúng tôi là hiểu tại sao anode silicon lại bị suy thoái theo thời gian.”
Mô phỏng điều kiện thế giới thực
Để hiểu cách tế bào pin bị lão hóa trong điều kiện thế giới thực, nhóm nghiên cứu đã áp dụng công nghệ NMR khi tế bào đang hoạt động. Phương pháp “tại chỗ” này giúp quan sát trực tiếp cấu trúc và biến đổi điện tử bên trong tế bào. Ngược lại, các thí nghiệm lão hóa pin thông thường đánh giá động lực hóa học sau khi tế bào đã hoạt động và bị mở ra. Phương pháp NMR tại chỗ có thể cung cấp hình ảnh lão hóa chính xác bên trong pin ô tô điện và các thiết bị thực tế khác.
Một khía cạnh quan trọng khác trong việc mô phỏng điều kiện thế giới thực là chính tế bào pin. Cơ sở phân tích, mô hình hóa và làm mẫu pin của Argonne sử dụng quy trình tương đương với pin sản xuất thương mại. Do đó, những tế bào này chuẩn hóa hơn nhiều so với các tế bào được sản xuất trong phòng thí nghiệm điển hình và có niêm phong và tiếp xúc tốt hơn. Wang cho biết: “Những tế bào này về cơ bản là phiên bản nhỏ của các tế bào mà mọi người sử dụng trong ô tô điện, máy tính và các thiết bị khác. Chúng hoạt động tốt và có thể duy trì chu kỳ sạc và xả hoàn chỉnh trong vài tháng hoặc thậm chí vài năm. Ngược lại, nhiều tế bào sản xuất trong phòng thí nghiệm chỉ có thể kéo dài chu kỳ thử nghiệm trong một tuần và không thể hiểu quá trình suy giảm hiệu suất của chúng trong thời gian dài. Nghiên cứu này lần đầu tiên áp dụng phương pháp mô tả tại chỗ vào tế bào pin mềm thương mại.”
Nhóm nghiên cứu đã phát hiện một phát hiện quan trọng, rằng nhiều nguyên tử lithium bị mắc kẹt trong anode sau khi tế bào được sạc. Trong quá trình xả, các nguyên tử lithium để lại dưới dạng lithium silicide trong anode thay vì di chuyển và chuyển đến catode (cực dương). Lithium silicide mắc kẹt tích tụ trong anode, làm giảm số lượng lithium trong tế bào khi chu kỳ. Chúng cũng phản ứng với điện phân, dẫn đến các phân tử và phản ứng bị mắc kẹt làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng của tế bào. Key cho biết: “Phương pháp NMR kết hợp với tế bào vững chắc rất quan trọng cho việc lưu giữ các phân tử hoạt động và mô tả cao độ hành vi của chúng. Chúng tôi phát hiện ra rằng việc hoạt động của tế bào không làm giảm độ nhạy của kỹ thuật đối với tất cả các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào.”
Nhóm Argonne còn phát hiện ra rằng việc thêm magiê vào điện phân có thể giảm số lượng lithium silicide bị mắc kẹt. Những phát hiện này có thể mở ra hướng nghiên cứu mới nhằm phát hiện các chất phụ gia hóa học, công thức điện phân và vật liệu silicon khác nhau, nhằm hạn chế sự hình thành lithium silicide mắc kẹt.
Công nghệ đa mục đích
Lợi thế chính của quang phổ NMR là khả năng nhạy cảm cao với hành vi của các nguyên tố nhẹ như lithium, silicon, carbon và hidro, điều mà các phương pháp mô tả khác khó phát hiện được.
Ngoài pin anode silicon, phương pháp NMR mới cũng có thể dễ dàng được áp dụng cho các công nghệ pin mới nổi khác, như pin sodium-ion và pin thể rắn. Chúng cũng có thể phát hiện hiện tượng lão hóa trong các thành phần pin khác, như catode và điện phân.
Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang làm việc để mở rộng công nghệ này sang các pin mềm tiêu chuẩn thương mại hiện có. Key cho biết: “Chúng tôi hy vọng có thể hợp tác với các ngành công nghiệp và tổ chức pin quan tâm.”