Các nhà khoa học đã thiết kế và thử nghiệm pin lithium-lưu huỳnh hoàn toàn rắn với mật độ năng lượng gấp khoảng bốn lần so với các công nghệ lithium-ion thông thường.
Thiết kế pin ORNL, sử dụng lưu huỳnh nguyên tố giá rẻ dồi dào, cũng giải quyết các mối lo ngại về tính dễ cháy của các hóa chất khác.
Cách tiếp cận của chúng tôi là một sự thay đổi hoàn toàn so với khái niệm pin hiện tại của hai điện cực được nối bởi một chất điện phân lỏng, đã được sử dụng trong 150 đến 200 năm qua, ông Philip Liang, tác giả chính của nghiên cứu ORNL công bố tuần này trên tờ Angewandte Chemie Phiên bản quốc tế.
Một pin lithium-lưu huỳnh hoàn toàn mới được phát triển bởi nhóm Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge do Thành Đô Liang dẫn đầu có khả năng giảm chi phí, tăng hiệu suất và cải thiện an toàn so với các thiết kế hiện có.
Các nhà khoa học đã rất phấn khích về tiềm năng của pin lithium-lưu huỳnh trong nhiều thập kỷ, nhưng các phiên bản quy mô lớn, lâu dài cho các ứng dụng thương mại đã được chứng minh là khó nắm bắt. Các nhà nghiên cứu đã bị mắc kẹt với một chiếc Catch-22 được tạo ra bởi pin sử dụng chất điện phân lỏng: Một mặt, chất lỏng giúp dẫn các ion qua pin bằng cách cho phép các hợp chất lithium polysulfide hòa tan. Tuy nhiên, nhược điểm là quá trình hòa tan tương tự khiến pin bị hỏng sớm.
Nhóm ORNL đã vượt qua những rào cản này bằng cách đầu tiên tổng hợp một loại vật liệu giàu lưu huỳnh chưa từng thấy trước đây dẫn các ion cũng như các oxit kim loại lithium thường được sử dụng trong cực âm pin. Sau đó, đội Liang Liang đã kết hợp catốt giàu lưu huỳnh mới và cực dương lithium với vật liệu điện phân rắn, cũng được phát triển tại ORNL, để tạo ra một loại pin đặc, dày đặc năng lượng.
Đây là sự thay đổi trò chơi từ chất lỏng sang chất điện phân rắn giúp loại bỏ vấn đề hòa tan lưu huỳnh và cho phép chúng tôi thực hiện theo lời hứa của pin lithium-lưu huỳnh, ông Liang Liang nói. Thiết kế pin của chúng tôi có tiềm năng thực sự để giảm chi phí, tăng mật độ năng lượng và cải thiện độ an toàn so với các công nghệ lithium-ion hiện có.
Cực âm dẫn ion mới cho phép pin ORNL duy trì công suất 1200 milliamp-giờ (mAh) mỗi gram sau 300 chu kỳ xả sạc ở 60 độ C. Để so sánh, một cực âm pin lithium-ion truyền thống có công suất trung bình trong khoảng 140-170 mAh / g. Bởi vì pin lithium-lưu huỳnh cung cấp khoảng một nửa điện áp của các phiên bản lithium-ion, công suất tăng gấp tám lần này được thể hiện trong catốt pin ORNL chuyển thành bốn lần mật độ năng lượng trọng lượng của các công nghệ lithium-ion, Liang giải thích.
Thiết kế toàn bộ chất rắn Team cũng tăng độ an toàn cho pin bằng cách loại bỏ các chất điện phân lỏng dễ cháy có thể phản ứng với kim loại lithium. Đứng đầu trong số các pin ORNL, các ưu điểm khác là sử dụng lưu huỳnh nguyên tố, một sản phẩm phụ công nghiệp dồi dào của chế biến dầu mỏ.
Tiết lưu trữ trên thực tế là miễn phí. Tiết kiệm không chỉ lưu trữ năng lượng nhiều hơn các hợp chất kim loại chuyển tiếp được sử dụng trong catốt pin lithium-ion, mà một thiết bị lưu huỳnh lithium có thể giúp tái chế chất thải thành công nghệ hữu ích.
Mặc dù nhóm pin mới vẫn còn trong giai đoạn trình diễn, Liang và các đồng nghiệp hy vọng sẽ thấy nghiên cứu của họ nhanh chóng chuyển từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng thương mại. Một bằng sáng chế về thiết kế nhóm Team đang chờ xử lý.
Dự án này thể hiện sự phối hợp giữa khoa học cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, ông Liang Liang nói. Chúng tôi đã sử dụng nghiên cứu cơ bản để tìm hiểu một hiện tượng khoa học, xác định vấn đề và sau đó tạo ra vật liệu phù hợp để giải quyết vấn đề đó, dẫn đến sự thành công của một thiết bị với các ứng dụng trong thế giới thực.
Nghiên cứu được công bố với tên là Lithium Lithium Polysulfidophosphates: Một họ các hợp chất giàu lưu huỳnh lưu huỳnh cho pin lithium-lưu huỳnh, đá và có sẵn trực tuyến tại https://dx.doi.org/10.1002/anie.201300680. Ngoài Liang, các đồng tác giả là ORNL Lam Zhan Lin, Zengcai Liu, Wujun Fu và Nancy Dudney.
Thông qua Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge