Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một giải thích cho một vấn đề lâu dài trong lĩnh vực pin lithium-ion. Theo các nguồn tin từ nước ngoài, nhóm nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Skolkovo (Skoltech) đã cung cấp cái nhìn mới về vai trò của carbonat ethylene (ethylene carbonate, thành phần điện giải) trong pin lithium-ion, và giải thích tại sao vật liệu này và carbonat propylene (propylene carbonate, có tính chất điện hóa tương tự) lại có hiệu suất hoàn toàn khác nhau trên cực dương graphite của pin.
(Nguồn hình ảnh: Skoltech)
Trong giai đoạn đầu thương mại hóa pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu đã gặp phải vấn đề ăn mòn cực dương graphite. Điện giải dựa trên carbonat propylene rất thân thiện với lithium kim loại, nhưng lại tỏ ra rất ăn mòn đối với graphite. Vấn đề này đã cản trở việc sử dụng cực dương graphite cho đến khi người ta sử dụng carbonat ethylene thay thế cho carbonat propylene. Mặc dù về mặt điện hóa, cấu trúc phân tử của hai vật liệu này rất tương đồng, nhưng chúng lại thể hiện hiệu suất hoàn toàn khác nhau trên cực dương graphite.
Hiện tượng này được gọi là sự khác biệt EC-PC. Trong nhiều thập kỷ, cộng đồng pin đã nghiên cứu và thảo luận về vai trò của carbonat ethylene, được gọi là “digiri kỳ diệu”, và đã đưa ra nhiều giả thuyết. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa đạt được sự đồng thuận. Vấn đề này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết, mà còn ảnh hưởng rộng rãi đến thiết kế pin ngoài việc chọn EC (thay vì PC) làm nền tảng dung môi cho điện giải.
Các nhà nghiên cứu tại Skoltech Energy đã đề xuất rằng sự hiện diện của carbonat ethylene trong dung dịch điện giải có thể dẫn đến việc hình thành một lớp lỏng mỏng, rất quánh trên bề mặt graphite. Lớp lỏng này có thể bảo vệ graphite khỏi quá nhiều phân tử điện giải thẩm thấu vào giữa các lớp graphite (nhúng quá mức), và cuối cùng làm bong ra các lớp graphite, gây hư hại cho cực dương (bong tróc ăn mòn). Các thí nghiệm được thực hiện để xác minh giả thuyết này đã xác nhận rằng lớp lỏng này thực sự xuất hiện trong điện giải dựa trên EC, chứ không phải trong điện giải dựa trên PC.
Đáng lưu ý rằng lớp lỏng quánh này xuất hiện trước khi giao diện điện giải rắn (SEI) hình thành và ảnh hưởng đến quá trình hình thành SEI. SEI, một thành phần quan trọng của pin lithium-ion, là màng điện giải rắn được hình thành trên bề mặt cực dương trong quá trình vòng lặp ban đầu của pin, có thể bảo vệ và ngăn chặn cực dương graphite bị suy giảm nhanh chóng, cũng như ngăn chặn điện giải lỏng tiếp tục xảy ra quá trình khử điện hóa.
Cái nhìn mới này về quy trình giao diện pin lithium-ion cung cấp một góc nhìn mới về sự tương tác giữa thành phần điện giải và động học giao diện cực dương – điện giải. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển pin ổn định và hiệu quả hơn thông qua thiết kế thông minh của giao diện điện giải rắn.
Phương pháp được đề xuất trong nghiên cứu này không chỉ giới hạn trong pin lithium-ion, mà còn cung cấp cái nhìn giá trị cho các công nghệ mới nổi như pin sodium-ion và potassium-ion. Những pin này cũng đối mặt với những thách thức tương tự trong việc hình thành giao diện điện giải rắn. Nghiên cứu này có thể giúp hiểu cách mà tính chất vật lý của thành phần điện giải ảnh hưởng đến động học giao diện, với hy vọng thúc đẩy sự đổi mới trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.