Nghiên cứu về sự tăng trưởng và ức chế các sợi nhánh lithium trong pin lithium toàn chất

Gần đây, Fang Qianfeng, một nhà nghiên cứu tại Viện ma sát nội bộ và khiếm khuyết rắn, Viện Vật lý rắn, Học viện Khoa học Vật liệu HEFEI, Học viện Khoa học Trung Quốc, đã thiết kế một pin trạng thái rắn với cấu trúc không đối xứng để nghiên cứu sự lắng đọng và chuyển giao của Các ion lithium trong pin trạng thái rắn. Cơ chế tăng trưởng và triệt tiêu của đuôi gai lithium trong pin lithium là một tài liệu tham khảo quan trọng. Kết quả nghiên cứu liên quan được công bố trên Tạp chí Nguồn điện với tiêu đề "Tăng trưởng nội bào và cơ chế phân phối đồng đều của kim loại Li trong chất điện phân Li7LA3ZR2O12".

Pin Iron phosphate pin miễn phí bảo trì có mật độ năng lượng cao, độ ổn định mạnh mẽ và tuổi thọ dài và được sử dụng rộng rãi như một thiết bị lưu trữ năng lượng thương mại và hiệu quả. Tuy nhiên, do việc sử dụng các chất điện giải hữu cơ dễ cháy trong pin LifePO4 thương mại, khi pin ở trạng thái nhiệt độ cao, ngắn mạch, quá tải hoặc thiệt hại vật lý, rất có khả năng gây ra hỏa hoạn hoặc thậm chí là nổ. Do đó, việc sử dụng chất điện phân rắn vô cơ không cháy thay vì chất điện phân lỏng là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề an toàn của pin lithium. Tuy nhiên, vì các ion lithium tự nhiên hình thành các sợi nhánh lithium dendritic trong quá trình lắng đọng điện cực âm, các cấu trúc sắc nét của chúng có xu hướng xuyên qua thiết bị phân tách, khiến pin bị ngắn mạch và tạo ra các mối nguy hiểm an toàn. Do đó, bằng cách sử dụng chất điện phân rắn vô cơ thay vì chất điện phân hữu cơ lỏng và ức chế hiệu quả sự phát triển của các sợi nhánh lithium trong quá trình sạc và xả có thể giải quyết vấn đề an toàn của pin lithium-ion và hiểu chính xác sự lắng đọng của các ion lithium .

Với mục đích này, một pin trạng thái rắn có cấu trúc không đối xứng đã được xây dựng bằng cách tạo ra các điện cực kim loại lithium ở cả hai mặt của chất điện phân vuông góc với nhau (Hình 1A) và sự vận chuyển ion lithium trong điện phân lắng đọng lithium trên quá trình điện phân. Đồng thời, lớp nguyên tử Au được phun ra ở khu vực trung tâm của lớp bề mặt điện phân và so sánh với diện tích của lớp nguyên tử Au không bị thay đổi, thu được quy tắc ảnh hưởng của lớp nguyên tử Au đối với sự lắng đọng của các ion lithium. Kết quả nghiên cứu cho thấy trạng thái phân phối điện tử của lớp bề mặt điện phân ảnh hưởng trực tiếp đến đường truyền của các ion lithium trong chất điện phân (Hình 1B), do đó các ion lithium từ bề mặt trên của chất điện phân được vận chuyển trong chất điện phân. Phân tích sâu hơn cho thấy rằng trong khu vực phun Au không bị thay đổi, sự lắng đọng ion lithium cho thấy trạng thái phân phối và phân phối không đều (khu vực bên trái trong khung màu xanh trong Hình 1A), điều này sẽ tạo ra sự phát triển của đuôi gai lithium và tạo ra các mạch ngắn. Ở khu vực mà lớp nguyên tử Au được phun ra, sự lắng đọng ion lithium xuất hiện dưới dạng phân bố hạt hình cầu đồng đều (khu vực trong khung màu đỏ và khu vực bên phải trong khung màu xanh trong Hình 1a), giúp ngăn chặn hiệu quả các ion lithium gây ra bởi Sự phát triển của đuôi gai lithium. Sự phát triển của công việc này cung cấp một cơ sở lý thuyết và thử nghiệm để tối ưu hóa hiệu suất giao diện và hiệu suất an toàn của pin toàn bộ.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia của Trung Quốc và Quỹ khoa học tự nhiên của tỉnh Anhui.