Pin Lithium-metal (LMB), một loại pin lithium có thể sạc lại mới nổi được làm bằng kim loại thể rắn thay vì lithium-ion, là một trong những công nghệ pin có thể sạc lại mật độ năng lượng cao hứa hẹn nhất. Mặc dù chúng có một số đặc điểm thuận lợi, nhưng loại pin này có một số hạn chế, bao gồm mật độ năng lượng kém và các vấn đề liên quan đến an toàn.
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng khắc phục những hạn chế này bằng cách giới thiệu một thiết kế pin lithium thay thế, không có cực dương. Thiết kế không có cực dương này có thể giúp tăng mật độ năng lượng và độ an toàn của pin kim loại lithium.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia và Công nghệ gần đây đã thực hiện một nghiên cứu nhằm tăng mật độ năng lượng của pin lithium không có cực dương, giới thiệu một loại pin lithium không có cực dương có mật độ năng lượng cao và tuổi thọ cao mới dựa trên việc sử dụng Li2Hỡi tác nhân hy sinh.
Kiến trúc pin full-cell không có cực dương thường dựa trên cực âm được nung hoàn toàn với bộ thu dòng điện bằng đồng cực dương. Đáng chú ý, cả mật độ năng lượng theo trọng lượng và thể tích của pin lithium không có anốt đều có thể được mở rộng đến giới hạn tối đa của chúng. Kiến trúc tế bào không có cực dương có một số ưu điểm khác so với các thiết kế LMB thông thường, bao gồm chi phí thấp hơn, an toàn hơn và quy trình lắp ráp tế bào đơn giản hơn.
Để phát huy hết tiềm năng của các LMB không có anốt, trước tiên các nhà nghiên cứu nên tìm ra cách đạt được tính ổn định / thuận nghịch của lớp mạ kim loại Li. Trong khi nhiều người đã cố gắng giải quyết vấn đề này bằng kỹ thuật và lựa chọn các chất điện giải có lợi hơn, hầu hết những nỗ lực này đều không thành công.
Những người khác cũng đã khám phá tiềm năng của việc sử dụng muối hoặc chất phụ gia có thể cải thiện khả năng đảo ngược của lớp mạ / tước kim loại Li-kim. Sau khi xem xét các nỗ lực trước đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia và Công nghệ đã đề xuất việc sử dụng Li2O như một tác nhân hy sinh, được nạp sẵn vào LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 bề mặt.
Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo: “Thật là khó khăn để nhận ra khả năng đảo ngược Li cao, đặc biệt là xem xét trữ lượng Li hạn chế (thường là không dư thừa lithium) trong cấu hình tế bào. “Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã giới thiệu Li2O như một tác nhân hy sinh được tải trước trên LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cực âm, cung cấp một nguồn Li bổ sung để bù đắp lượng Li mất đi không thể phục hồi trong quá trình quay vòng lâu dài trong một tế bào ban đầu không có cực dương ”.
Ngoài việc sử dụng Li2O như một tác nhân hy sinh, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng phụ gia ete fluoropropyl để trung hòa nucleophilic O2-, được giải phóng trong quá trình oxy hóa Li2O, và ngăn chặn sự tiến hóa bổ sung của khí O2 là kết quả của việc chế tạo chất điện phân gốc LiF phủ trên bề mặt cực âm của pin.
“Chúng tôi cho thấy rằng O2- loài, được phát hành thông qua Li2Các nhà nghiên cứu giải thích trong bài báo của họ là quá trình oxy hóa O, được trung hòa một cách tổng hợp bởi một chất phụ gia ete flo hóa. “Điều này dẫn đến việc xây dựng một lớp dựa trên LiF ở bề mặt catốt / chất điện phân, lớp này phân chia bề mặt catốt và hạn chế sự phân hủy oxy hóa bất lợi của dung môi ete.”
Dựa trên thiết kế mà họ nghĩ ra, Yu Qiao và phần còn lại của nhóm tại Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia và Công nghệ đã có thể nhận ra một tế bào túi không có cực dương ban đầu 2.46 Ah có tuổi thọ cao. Tế bào này có mật độ năng lượng trọng trường là 320 Wh kg-1, duy trì công suất 80% sau 300 chu kỳ hoạt động.
Trong tương lai, lithium không có cực dương ắc quy được giới thiệu bởi nhóm nghiên cứu này có thể giúp khắc phục một số hạn chế thường được báo cáo của LMBs. Ngoài ra, thiết kế của nó có thể truyền cảm hứng cho việc tạo ra các loại pin sạc dựa trên lithium an toàn hơn với mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ lâu hơn.
