Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng chế tạo pin kim loại lithium đáng tin cậy. Các tế bào lưu trữ hiệu suất cao này chứa nhiều năng lượng hơn 50% so với những người anh em họ lithium-ion sung mãn của chúng, nhưng tỷ lệ hỏng hóc cao hơn và các vấn đề an toàn như cháy nổ đã làm tê liệt các nỗ lực thương mại hóa. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết tại sao các thiết bị này lại hỏng hóc, nhưng bằng chứng trực tiếp vẫn còn ít.
Giờ đây, những hình ảnh kích thước nano đầu tiên từng được chụp bên trong pin đồng xu kim loại lithium còn nguyên vẹn (còn gọi là tế bào nút hoặc pin đồng hồ) thách thức các lý thuyết phổ biến và có thể giúp tạo ra các loại pin hiệu suất cao trong tương lai, chẳng hạn như cho xe điện, an toàn hơn, mạnh hơn và lâu hơn bền vững.
Nhà khoa học cho biết: “Chúng tôi đang biết rằng chúng tôi nên sử dụng vật liệu phân tách được điều chỉnh cho kim loại lithium”.
Sản phẩm phụ bên trong tích tụ, giết chết pin
Nhóm nghiên cứu đã liên tục sạc và xả các tế bào bằng đồng xu lithium với cùng dòng điện cường độ cao mà xe điện cần sạc. Một số tế bào trải qua một vài chu kỳ, trong khi những tế bào khác trải qua hơn một trăm chu kỳ. Sau đó, các tế bào được chuyển đến Thermo Fisher Scientific ở Hillsboro, Oregon, để phân tích.
Khi nhóm nghiên cứu xem xét hình ảnh bên trong pin, họ dự kiến sẽ tìm thấy cặn lithium hình kim bao quanh pin. Hầu hết các nhà nghiên cứu về pin đều nghĩ rằng một gai liti hình thành sau khi đạp xe lặp đi lặp lại và nó đâm xuyên qua tấm phân cách bằng nhựa giữa cực dương và cực âm, tạo thành một cầu nối gây ra hiện tượng đoản mạch. Nhưng liti là một kim loại mềm, vì vậy các nhà khoa học chưa hiểu bằng cách nào nó có thể đi qua lớp phân tách.
Nhóm của Harrison đã tìm ra một thủ phạm thứ hai đáng ngạc nhiên: một chất cứng tích tụ được hình thành như một sản phẩm phụ của các phản ứng hóa học bên trong pin. Mỗi khi pin được sạc lại, sản phẩm phụ, được gọi là interphase chất điện phân rắn, tăng lên. Đóng nắp liti, nó xé toạc các lỗ trên thiết bị phân tách, tạo ra các khe hở cho cặn kim loại lan rộng và tạo thành một đoạn ngắn. Cùng với nhau, các chất lắng đọng liti và các sản phẩm phụ có sức phá hủy mạnh hơn nhiều so với những gì được tin tưởng trước đây, hoạt động ít giống như một cây kim và giống như một bông tuyết.
Nhà nghiên cứu cho biết: “Bộ phân tách hoàn toàn bị cắt nhỏ,” và cho biết thêm rằng cơ chế này chỉ được quan sát trong điều kiện tốc độ sạc nhanh cần thiết cho xe điện công nghệ, nhưng không phải tốc độ sạc chậm hơn.
Khi các nhà khoa học Sandia nghĩ về cách sửa đổi vật liệu phân tách, nhà nghiên cứu nói rằng cũng sẽ cần nghiên cứu thêm để giảm sự hình thành các sản phẩm phụ.
Các nhà khoa học ghép nối tia laze với phương pháp đông lạnh để tạo ra những hình ảnh "tuyệt vời"
Việc xác định nguyên nhân gây ra cái chết cho pin đồng xu rất khó. Rắc rối đến từ vỏ thép không gỉ của nó. Vỏ kim loại hạn chế những gì chẩn đoán, như tia X, có thể nhìn thấy từ bên ngoài, trong khi việc tháo các bộ phận của tế bào để phân tích sẽ tách các lớp pin ra và làm sai lệch bất kỳ bằng chứng nào có thể có bên trong.
Nhà nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi có các công cụ khác nhau có thể nghiên cứu các thành phần khác nhau của pin, nhưng thực sự chúng tôi chưa có công cụ nào có thể giải quyết mọi thứ trong một hình ảnh.
Nhà nghiên cứu và các cộng tác viên của nó đã sử dụng một kính hiển vi có tia laser để quét qua vỏ bên ngoài của pin. Họ đã ghép nối nó với một ngăn chứa mẫu giúp giữ đông chất điện phân lỏng của tế bào ở nhiệt độ từ âm 148 đến âm 184 độ F (tương ứng là âm 100 và âm 120 độ C). Tia laser tạo ra một khe hở vừa đủ lớn để một chùm điện tử hẹp đi vào và phản xạ trở lại máy dò, mang lại hình ảnh có độ phân giải cao về tiết diện bên trong của pin với đủ chi tiết để phân biệt các vật liệu khác nhau.
Công cụ trình diễn ban đầu, là công cụ duy nhất như vậy ở Hoa Kỳ vào thời điểm đó, đã được chế tạo và vẫn đang được đặt tại một phòng thí nghiệm Thermo Fisher Scientific ở Oregon. Một bản sao cập nhật hiện đang ở Sandia. Công cụ này sẽ được sử dụng rộng rãi trên Sandia để giúp giải quyết nhiều vấn đề về vật liệu và phân tích lỗi.
