Phòng thí nghiệm Berkeley & Nhóm FSU thiết kế pin thế hệ tiếp theo ở cấp độ nguyên tử

Một nhóm từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Đại học bang Florida đã thiết kế một kế hoạch chi tiết mới cho pin thể rắn ít phụ thuộc vào các nguyên tố hóa học cụ thể, đặc biệt là các kim loại quan trọng đang gặp khó khăn trong việc tìm nguồn do các vấn đề về chuỗi cung ứng. Công việc của họ, được báo cáo gần đây trên tạp chí Khoa học, có thể phát triển pin thể rắn hiệu quả và giá cả phải chăng.

Được quảng cáo là có mật độ năng lượng cao và độ an toàn vượt trội, pin thể rắn có thể là nhân tố thay đổi cuộc chơi cho ngành công nghiệp ô tô điện. Tuy nhiên, việc phát triển một loại pin có giá cả phải chăng và đủ dẫn điện để cung cấp năng lượng cho ô tô đi hàng trăm km chỉ sau một lần sạc từ lâu đã là một trở ngại khó vượt qua.

“Với cách tiếp cận mới của chúng tôi đối với pin thể rắn, bạn không cần phải từ bỏ khả năng chi trả để có được hiệu suất.” — Yan Zeng, nhà khoa học nhân viên Phòng thí nghiệm Berkeley, Phòng Khoa học Vật liệu

Đồng tác giả đầu tiên Yan Zeng, một nhà khoa học thuộc Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết: “Công trình của chúng tôi là công trình đầu tiên giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một chất điện phân rắn không chỉ với một kim loại mà với một nhóm kim loại có giá cả phải chăng”.

Trong pin lithium-ion, chất điện phân hoạt động giống như một trung tâm truyền tải, nơi các ion lithium di chuyển cùng với điện tích để cấp nguồn cho thiết bị hoặc sạc lại pin.

Giống như các loại pin khác, pin thể rắn lưu trữ năng lượng và sau đó giải phóng năng lượng cho các thiết bị. Nhưng thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc gel polymer có trong pin lithium-ion, chúng sử dụng chất điện phân rắn.

Chính phủ, cơ quan nghiên cứu và giới học thuật đã đầu tư rất nhiều vào việc nghiên cứu và phát triển pin thể rắn vì chất điện phân lỏng được thiết kế cho nhiều loại pin thương mại dễ bị quá nhiệt, cháy và mất điện.

Tuy nhiên, nhiều loại pin thể rắn được chế tạo cho đến nay đều dựa trên các loại kim loại cụ thể, đắt tiền và không có sẵn với số lượng lớn. Một số không được tìm thấy ở Hoa Kỳ.

Đối với nghiên cứu hiện tại, Zeng – cùng với Bin Ouyang, trợ lý giáo sư hóa học và hóa sinh tại Đại học bang Florida – và tác giả chính Gỗ tuyết tùng Gerbrand, nhà khoa học cao cấp của Phòng thí nghiệm Berkeley và giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu của UC Berkeley, đã trình diễn một loại chất điện phân rắn mới bao gồm hỗn hợp các nguyên tố kim loại khác nhau. Zeng và Ouyang lần đầu tiên phát triển ý tưởng cho công việc này trong khi hoàn thành nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley dưới sự giám sát của Ceder.

Các vật liệu mới có thể tạo ra chất điện phân rắn dẫn điện tốt hơn, ít phụ thuộc hơn vào lượng lớn nguyên tố riêng lẻ.

Trong các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley, các nhà nghiên cứu đã chứng minh chất điện phân rắn mới bằng cách tổng hợp và thử nghiệm một số vật liệu lithium-ion và natri-ion với nhiều kim loại hỗn hợp.

Họ quan sát thấy các vật liệu đa kim loại mới hoạt động tốt hơn mong đợi, thể hiện độ dẫn ion nhanh hơn nhiều bậc so với các vật liệu đơn kim loại. Độ dẫn điện của ion là phép đo tốc độ di chuyển của các ion lithium để dẫn điện.

Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc trộn nhiều loại kim loại khác nhau với nhau sẽ tạo ra những con đường mới - giống như việc bổ sung đường cao tốc trên đường cao tốc tắc nghẽn - qua đó các ion lithium có thể di chuyển nhanh chóng qua chất điện phân. Zeng giải thích, nếu không có những con đường này, chuyển động của các ion lithium sẽ chậm và bị hạn chế khi chúng di chuyển qua chất điện phân từ đầu này sang đầu kia của pin.

Để xác nhận các ứng cử viên cho thiết kế đa kim loại, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các tính toán lý thuyết nâng cao dựa trên phương pháp gọi là lý thuyết hàm mật độ trên siêu máy tính tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC). Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) Xưởng đúc phân tử, các nhà nghiên cứu xác nhận rằng mỗi chất điện phân chỉ được tạo thành từ một loại vật liệu – thứ mà các nhà khoa học gọi là “pha đơn” – với những biến dạng bất thường làm phát sinh các con đường vận chuyển ion mới trong cấu trúc tinh thể của nó.

Khám phá này mở ra những cơ hội mới để thiết kế các chất dẫn ion thế hệ tiếp theo. Bước tiếp theo trong nghiên cứu này là áp dụng phương pháp mới mà Zeng đã phát triển cùng với Ceder tại Phòng thí nghiệm Berkeley để khám phá sâu hơn các vật liệu điện phân rắn mới có thể cải thiện hiệu suất pin hơn nữa.

Công việc này đại diện cho một trong nhiều cách mà các chuyên gia tại Trung tâm lưu trữ năng lượng phòng thí nghiệm Berkeley đang nỗ lực để hỗ trợ quá trình chuyển đổi của quốc gia sang một tương lai năng lượng sạch, giá cả phải chăng và kiên cường.

Năm ngoái, Âu Dương đã giành được giải Giải thưởng Thành tựu Máy tính Hiệu năng Cao NERSC vì “nâng cao sự hiểu biết về trật tự hóa học tầm ngắn để thiết kế một thế hệ vật liệu catốt thương mại hóa mới.” Giải thưởng công nhận các nhà khoa học mới bắt đầu sự nghiệp đã có những đóng góp đáng kể cho tính toán khoa học bằng cách sử dụng tài nguyên NERSC.

Các nhà khoa học khác đóng góp cho công trình này là Young-Woon Byeon và Zijian Cai từ Phòng thí nghiệm Berkeley, Jue Liu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Lincoln Miara và Yan Wang từ Viện Công nghệ tiên tiến Samsung.

Xưởng đúc phân tử và NERSC là các cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Công nghệ Xe DOE.

Biếu không của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley.

Văn phòng Khoa học của DOE là người ủng hộ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản về khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập energy.gov/science.

Tôi không thích tường phí. Bạn không thích tường phí. Ai thích tường phí? Tại CleanTechnica, chúng tôi đã triển khai một tường phí hạn chế trong một thời gian, nhưng nó luôn có cảm giác không ổn — và thật khó để quyết định những gì chúng tôi nên đặt ở đó. Về lý thuyết, nội dung tốt nhất và độc quyền nhất của bạn nằm sau tường phí. Nhưng sau đó ít người đọc nó hơn! Chúng tôi chỉ không thích tường phí và vì vậy chúng tôi đã quyết định bỏ tường phí của mình. Thật không may, kinh doanh truyền thông vẫn là một ngành kinh doanh khó khăn, khốc liệt với lợi nhuận rất nhỏ. Ở trên mặt nước hoặc thậm chí có lẽ là một thách thức không bao giờ kết thúc tại Olympic thở hổn hển - phát triển. Vì thế …

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/