Cải tiến mới nâng cao tính an toàn chống cháy nổ cho pin lithium-ion

Pin lithium-ion dùng cho điện thoại, máy tính xách tay hay xe điện có nhược điểm là rủi ro cháy nổ cao. Để khắc phục nhược điểm, nữ nghiên cứu sinh tiến sĩ Rachel Huang ở Đại học Stanford Mỹ (SU) đã cải tiến chất điện phân an toàn hơn. Huang và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng phát triển một chất điện phân không bắt lửa cho pin lithium-ion. Công trình đã chứng minh rằng pin chứa chất điện phân này hoạt động ở nhiệt độ cao mà không bắt lửa.

Bí quyết của nghiên cứu là bổ sung thêm muối bởi nguyên thủy, chất điện phân pin lithium-ion thông thường được làm từ muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ lỏng, chẳng hạn như ether hoặc cacbonat. Mặc dù dung môi này cải thiện hiệu suất của pin bằng cách giúp di chuyển các ion lithium xung quanh, nhưng nó cũng là một chất kích hoạt cháy tiềm năng, nhất là khi hoạt động tạo ra nhiệt lớn.

Ở nhiệt độ cao trên 60 độ C, các phân tử nhỏ của dung môi trong chất điện phân bắt đầu bay hơi, chuyển từ chất lỏng sang khí và làm phồng pin như một quả bóng bay và khi khí bắt lửa sẽ bốc cháy.

Cho đến nay đã có nhiều cải tiến được ra đời đối với chất điện phân không bắt lửa, chẳng hạn như chất điện phân polymer, sử dụng ma trận polyme thay vì dung dịch dung môi muối cổ điển để di chuyển các ion xung quanh. Tuy nhiên, những chất thay thế an toàn hơn này không di chuyển ion hiệu quả như dung môi lỏng, vì vậy hiệu suất của chúng không được đo lường bằng chất điện phân thông thường.

Pin lithium-ion có chất điện phân đã được cải tiến. Nguồn:Analyteguru

Nhóm của Huang đã kết hợp sản xuất một chất điện phân dựa trên polyme có thể mang lại cả sự an toàn và hiệu suất nhưng bổ sung thêm muối lithium LiFSI vào chất điện phân dựa trên polyme được thiết kế và tổng hợp bởi Jian-Cheng Lai, ở Đại học Stanford và là đồng tác giả đầu của nghiên cứu. Thông thường, ít hơn 50% trọng lượng của chất điện phân dựa trên polyme là muối nhưng Huang đã tăng lên 63%, tạo ra một trong những chất điện phân dựa trên polyme "mặn" nhất từ trước đến nay.

LiFSI kết hợp với các phân tử dung môi dễ cháy, cả hai hình thành mối quan hệ cộng sinh có lợi cho an toàn và hiệu suất của pin. Các phân tử dung môi cho phép chất điện phân dẫn ion và hoạt động ở mức tương tự như chất điện phân thông thường, trong khi nồng độ muối cao sẽ giữ chặt các phân tử đó, ngăn chặn sự bay hơi của chúng là nguyên nhân gây cháy. Qua thử nghiệm LiFSI trong pin lithium-ion, loại pin này có thể hoạt động an toàn từ nhiệt độ phòng lên đến 212 °F (100 °C). Trong khi đó, lượng muối dồi dào được bổ sung đóng vai trò như những cái neo cho các phân tử dung môi, ngăn không cho chúng bay hơi và bắt lửa.

“Phát hiện mới này mở đường cho thiết kế chất điện phân dựa trên polyme. Chất điện phân này rất quan trọng để phát triển các loại pin trong tương lai vừa có mật độ năng lượng cao lại an toàn cho môi trường và người sử dụng" , Zhenan Bao, giáo sư tại SU, thành viên Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES), cố vấn cho Huang chia sẻ.

 


  • 20/12/2022 05:34
  • KN (Theo Newatlas-12/2022)
  • 3197