Tìm kiếm chất điện ly rắn cho pin ion liti chống cháy

03:01' PM - Thứ sáu, 17/03/2017

Nhờ vào những đặc tính vượt trội so với các công nghệ pin trước đây, ngày nay pin ion liti đã trở thành công nghệ chủ yếu để lưu trữ điện năng trong các thiết bị công nghệ cao. Độ bền, nhẹ và mật độ năng lượng cao khiến cho loại pin này rất được ưa chuộng trên toàn thế giới.

Nhưng trong những tháng mùa thu năm 2016 vừa qua, pin ion liti đã chiếm những hàng tít lớn trên báo chí quốc tế khi một số điện thoại di động Galaxy Note 7 của Công ty Samsung bị quá nóng và bốc cháy. Công ty Samsung chưa công bố nguyên nhân chính xác của những sự cố này, nhưng đến cuối tháng 10/2016 đã thừa nhận những thiết bị công nghệ cao này có thể bị quá nhiệt và có nguy cơ về an toàn cháy nổ. Từ giữa tháng 10, Cục Hàng không liên bang Mỹ đã cấm sử dụng Galaxy Note 7 tại tất cả các sân bay của Mỹ.

Nhưng sự cố đối với Công ty Samsung chỉ là trường hợp mới nhất trong danh sách dài những sự cố đã xảy ra đối với pin ion liti. Trong thập niên qua, loại thiết bị lưu trữ năng lượng này đã nhiều lần thu hút sự chú ý của dư luận với những báo cáo về những chiếc laptop hoặc chi tiết điện tử trên máy bay bị cháy âm ỉ hoặc bắt lửa cháy.

Pin ion liti có thể trở nên nóng một cách nguy hiểm và bốc cháy vì nhiều lý do. Nhưng sự cố ở loại pin này thường nặng hơn các dạng pin bị quá nóng khác, vì pin ion liti có chứa dung dịch điện ly dễ cháy. Vì lý do đó, các nhà khoa học đang tìm kiếm những chất thay thế chất lỏng điện ly này. Một trong những phương án được đưa ra là các chất điện ly dạng rắn, không bắt lửa.

Việc chuyển sang sử dụng các chất điện ly rắn không chỉ giảm rủi ro cháy nổ mà còn cho phép sản xuất các loại pin bền hơn và có tuổi thọ cao hơn. Nếu không sử dụng chất lỏng, các tùy chọn về hình dạng và thiết kế của pin cũng sẽ được mở rộng hơn nhiều, đồng thời pin sẽ trở nên tương thích với kỹ thuật chế tạo màng mỏng, từ đó mở đường cho việc giảm thiểu kích thước của pin và khả năng sử dụng trong các ứng dụng mới.

Các loại ắc quy chì axit thông thường ở xe ôtô và ắc quy kiềm bình thường đều sử dụng chất điện ly là dung dịch nước của axit hoặc kiềm để vận chuyển ion bên trong ắc quy. Nhưng pin ion liti lại sử dụng chất điện ly là muối liti hòa tan trong dung môi hữu cơ dễ cháy như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat và etyl metyl cacbonat. Khi nạp pin, các ion liti di chuyển từ catôt đến anôt, còn khi pin phóng điện để cung cấp năng lượng thì những ion này di chuyển theo chiều ngược lại.

Khi pin ion liti bị quá nóng, chẳng hạn do sự cố ở mạch bảo vệ chống nạp quá, chất điện ly lỏng dễ cháy có thể bắt lửa và bốc cháy.

Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ tìm được một số phương án hạn chế để thay thế các chất điện ly lỏng, chủ yếu là bằng cách sử dụng các oxit và sulfua liti. Trong số những hợp chất này, chỉ một nhóm nhỏ là hứa hẹn sẽ có tiềm năng thực sự.

Một vài công ty, như ST Microelectronics tại Geneva (Thụy Sĩ) và Cymbet tại Minneaplois (Mỹ) mới đây đã bắt đầu bán pin cỡ micro với chất điện ly oxy nitrua để sử dụng trong các thiết bị như cảm biến mini và thẻ thông minh. Nhưng ngoại trừ những chất điện ly rắn được sử dụng trong những loại pin này, cho đến nay các chất điện ly rắn vẫn chưa đạt được thành công thương mại trong các pin ion liti.

Chất điện ly dạng sunphua

Năm 2011, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tokyo (Nhật Bản) và Công ty Toyota đã tiến hành phản ứng giữa Li2S, GeS2 và P2S5 ở nhiệt độ cao. Họ thu được sản phẩm có giá trị dẫn ion liti là 12 mS/cm2 ở 27oC, đây là giá trị dẫn ion liti cao nhất đã đo được cho đến nay ở chất điện ly rắn.

Tuy giá trị dẫn ion liti của hợp chất nói trên cao hơn một số chất điện ly lỏng được sử dụng trong các pin ion liti thông thường, nhưng giá thành cao của nó - do sử dụng germani - đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những chất điện ly rắn tương tự nhưng không chứa Ge đắt tiền.

Các nhà khoa học Đức đã tìm được một hợp chất như vậy: Bằng cách thay thế germani bằng asen, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Marburg (Đức) đã chế tạo hợp chất Li10SnP2S12. Họ ước tính rằng việc thay thế nguyên tố như vậy sẽ làm giảm khoảng 3 bậc chi phí nguyên liệu. Tuy nhiên, việc đó cũng làm giảm tính dẫn ion ở mức tương tự. Không chỉ vậy, hợp chất mới còn tỏ ra là không bền khi có nước, nó tạo thành hydro sulphua độc và dễ cháy.

May mắn là câu chuyện về chất điện ly dạng sulphua đã không kết thúc ở đây, nhờ công trình nghiên cứu của chính các nhà khoa học Nhật Bản tại Viện Công nghệ Tokyo nói trên. Nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã phát hiện một hợp chất có thể vận chuyển ion liti với độ dẫn 25 mS/cm2, đây là một kỷ lục mới đối với chất điện ly rắn. Họ đã chế tạo một loại pin thử nghiệm và phát hiện thấy rằng những pin này bền về mặt điện hóa và có khả năng nạp điện rất nhanh. ở 100oC, những pin thử nghiệm đã chứng tỏ là bền hơn pin đối chứng sử dụng chất điện ly lỏng.

Chất điện ly dạng oxit

Oxit cũng là một nhóm các hợp chất mà các nhà khoa học đã thành công trong việc đưa vào các chất điện ly rắn. Đặc biệt, một hợp chất oxit liti mới với ký hiệu c-LLZO đã thu hút nhiều sự chú ý vì nó kết hợp các tính chất hữu ích. Đây là nguyên liệu bền nhiệt và bền hóa học. Khác với các sunphua, c-LLZO không đòi hỏi phải được sản xuất trong môi trường có kiểm soát, nó không chứa lưu huỳnh nên không phát thải khí H2S độc hại. Vật liệu này cũng trơ về mặt điện hóa trong một phạm vi điện áp rộng hơn so với các chất điện ly lỏng thông thường. Tính chất này khiến cho c-LLZO thích hợp để sử dụng trong các loại pin với điện áp cao.

Trái với các chất điện ly sunphua, c-LLZO có xu hướng thể hiện độ dẫn ion tối đa 1-2 mS/cm2 ở nhiệt độ phòng, đây là độ dẫn tương đối thấp nhưng tốt hơn nhiều các loại oxit khác. Các nhà nghiên cứu hy vọng họ sẽ có khả năng làm sáng tỏ cơ chế dẫn ion để qua đó gia tăng giá trị này.

Tương tự như các sunphua, giá trị dẫn ion cao thường đòi hỏi chất điện ly phải có những tính chất thích hợp, đặc biệt là về mặt cấu trúc. ở c-LLZO, chỉ có dạng khối lập phương mới thích hợp để đạt độ dẫn ion tốt. Nhưng xét về mặt nhiệt động học thì cấu trúc khối lập phương lại tương đối kém bền. Vì vậy, các nhà nghiên cứu ở một số phòng thí nghiệm đã tìm kiếm những chất thay thế để ổn định dạng lập phương này của c-LLZO.

Trong khi đó, tại một trung tâm nghiên cứu năng lượng ở Alava, Tây Ban Nha, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng việc kích tạp bằng gali sẽ tăng gấp đôi độ dẫn ion của c-LLZO.

Mặc dù chất điện ly c-LLZO đã được cải tiến nhiều so với ban đầu, nhưng việc chế tạo pin sử dụng chất điện ly này vẫn còn gặp rất nhiều thách thức. Vấn đề ở chỗ là, để có thể đưa được chất điện ly rắn vào giữa catôt và anôt bên trong pin người ta phải tạo ra những màng c-LLZO mỏng hơn 50 mm. Nhưng những vật liệu sứ như c-LLZO rất khó có thể được định hình ở dạng như vậy.

Trong các quy trình thông thường, để tạo ra những màng mỏng của vật liệu, người ta thường phải sử dụng nguyên liệu là bột thô. Nếu ép đơn thuần bột nguyên liệu này, có thể thu được vật liệu tương tự miếng pho-mát Thụy Sĩ, với những lỗ hổng nằm giữa các hạt. Nhưng cấu trúc này ngăn các ion liti nhảy từ hạt này sang hạt kia, do đó vật liệu có độ dẫn ion tương đối kém.

Với mục đích tăng độ dẫn ion, một số nhà nghiên cứu đã ép các hạt và nung chúng đến nhiệt độ 1.250oC trong vòng 40 giờ. Quá trình này tạo ra các viên đặc, thích hợp để xác định độ dẫn ion trong phòng thí nghiệm, tuy vậy không thích hợp cho việc chế tạo pin.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Michigan (Mỹ) đã áp dụng một phương pháp ít tiêu tốn năng lượng và thời gian hơn để chế tạo những màng mỏng đặc. Họ nạp dung dịch rượu của các hợp chất cơ kim Li, Al, La và Zr vào một thiết bị nhiệt phân phun, thiết bị này sẽ phun hỗn hợp nguyên liệu thành sol khí và đốt cháy nó ngay lập tức, tạo thành các hạt nano. Khi áp dụng phương pháp đơn giản và không đắt tiền này đối với bột c-LLZO cỡ nano, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những màng mỏng sứ mềm dẻo với độ dày dưới 30 mm. Màng mỏng này thể hiện độ dẫn ion khoảng 0,2 mS/cm2.

Hiện tại, các nhà khoa học Michigan đang thử nghiệm áp dụng phương pháp kích tạp vật liệu sứ với gali nhằm tăng độ dẫn ion. Họ cũng đã có kế hoạch chế tạo pin ion liti với màng mỏng c-LLZO được kích tạp Ga.

HS

Theo Chemical & Engineering News, 11/2016

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,