Chỉ 2% phương tiện giao thông được điện khí hóa cho đến nay, nhưng con số này được dự báo sẽ đạt 30% vào năm 2030. Chìa khóa để cải thiện việc thương mại hóa xe điện (EV) là nâng cao mật độ năng lượng trọng trường của chúng — đo bằng watt-giờ trên kilogam — vật liệu an toàn hơn, có thể tái chế dễ dàng và dồi dào. Lithium-kim loại trong các cực dương được coi là “chén thánh” để cải thiện mật độ năng lượng trong pin EV so với các lựa chọn đương nhiệm như graphite ở 240 Wh / kg trong cuộc đua để đạt được mật độ năng lượng cạnh tranh hơn ở 500 Wh / kg.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Houston đang thực hiện thách thức này với các đồng nghiệp Đại học Rice. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh sự cải thiện gấp hai lần mật độ năng lượng cho pin lithium trạng thái rắn, gốc hữu cơ bằng cách sử dụng quy trình có sự hỗ trợ của dung môi để thay đổi cấu trúc vi điện cực.
Nhóm nghiên cứu cho biết, chúng tôi đang phát triển các vật liệu cathode hữu cơ có nguồn gốc từ trái đất, không có coban, chi phí thấp để làm pin thể rắn. “Nghiên cứu này là một bước tiến trong việc tăng mật độ năng lượng pin EV bằng cách sử dụng thay thế bền vững hơn này.
Bất kỳ loại pin nào cũng bao gồm cực dương, còn được gọi là điện cực âm và cực âm, còn được gọi là điện cực dương, được ngăn cách trong pin bằng một màng xốp. Các ion liti chảy qua một vật dẫn ion — một chất điện phân, cho phép sạc và phóng các điện tử tạo ra điện, chẳng hạn, cho một chiếc xe.
Chất điện phân thường là chất lỏng, nhưng điều đó là không cần thiết - chúng cũng có thể ở thể rắn, một khái niệm tương đối mới. Tính năng mới này, kết hợp với cực dương kim loại lithium, có thể ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch, cải thiện mật độ năng lượng và cho phép sạc nhanh hơn.
Các catốt thường xác định công suất và Vôn pin và sau đó là phần đắt nhất của pin do sử dụng các vật liệu khan hiếm như coban — dự kiến sẽ đạt mức thâm hụt 65,000 tấn vào năm 2030. Các catốt làm từ coban hầu như chỉ được sử dụng trong pin thể rắn do hiệu suất; chỉ gần đây, pin lithium dựa trên hợp chất hữu cơ (OBEM-Li) mới nổi lên như một giải pháp thay thế phong phú hơn, sạch hơn và dễ dàng tái chế hơn.
Có mối quan tâm lớn xung quanh chuỗi cung ứng pin lithium-ion ở Hoa Kỳ. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu cho thấy khả năng chế tạo pin lithium mật độ năng lượng cao bằng cách thay thế các cực âm làm từ kim loại chuyển tiếp bằng các vật liệu hữu cơ thu được từ nhà máy lọc dầu hoặc nhà máy lọc sinh học, cả hai đều có công suất lớn nhất trên thế giới của Mỹ.
Các cực âm dựa trên coban tạo ra 800 Wh / kg năng lượng cụ thể ở mức vật liệu, hoặc điện áp nhân với dung lượng, cũng như pin OBEM-Li, được nhóm nghiên cứu chứng minh lần đầu tiên trong ấn phẩm trước đó của họ, nhưng các pin OBEM-Li trước đó bị giới hạn ở phần khối lượng thấp của vật liệu hoạt động do cấu trúc vi mô catốt không lý tưởng. Mật độ tổng năng lượng giới hạn này.
Nhóm nghiên cứu đã khám phá ra cách cải thiện mật độ năng lượng cấp điện cực trong pin OBEM-Li bằng cách tối ưu hóa cấu trúc vi mô cực âm để cải thiện vận chuyển ion bên trong cực âm. Để làm được điều này, cấu trúc vi mô đã được thay đổi bằng cách sử dụng một dung môi quen thuộc - etanol. Cực âm hữu cơ được sử dụng là pyrene-4,5,9,10-tetraone hoặc PTO.
Các catốt dựa trên coban thường được ưa chuộng vì cấu trúc vi mô là lý tưởng tự nhiên nhưng việc hình thành cấu trúc vi mô lý tưởng trong pin trạng thái rắn dựa trên chất hữu cơ thì khó hơn.
Ở cấp độ điện cực, vi cấu trúc hỗ trợ dung môi đã tăng mật độ năng lượng lên 300 Wh / kg so với vi cấu trúc hỗn hợp khô chỉ dưới 180 Wh / kg bằng cách cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng của vật liệu hoạt động. Trước đây, số lượng nguyên liệu hoạt động có thể tăng lên nhưng tỷ lệ sử dụng vẫn thấp, gần 50%.
Trong mười năm qua, chi phí EV pin giảm xuống gần 10% so với chi phí ban đầu, khiến chúng trở nên khả thi về mặt thương mại. Vì vậy, rất nhiều điều có thể xảy ra trong một thập kỷ. Nghiên cứu này là một bước quan trọng trong quá trình hướng tới xe điện bền vững hơn và là bàn đạp cho thập kỷ nghiên cứu tiếp theo. Với tốc độ này, có lẽ cũng giống như nghĩa đen, tương lai ở phía bên kia có vẻ xanh hơn nhiều.