Vật liệu halogen có mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài giá rẻ được tiết lộ
| Jerry Huang
Ghi chú của biên tập viên: Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, pin thể rắn hoàn toàn được coi là giải pháp tốt nhất cho công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo, tuy nhiên, sự phát triển của chúng từ lâu đã bị hạn chế bởi những nút thắt quan trọng trong vật liệu điện cực. Pin thể rắn hoàn toàn (ASSB) truyền thống thường có điện cực được cấu tạo từ vật liệu hoạt tính, chất điện phân rắn và phụ gia dẫn điện. Tuy nhiên, các thành phần không hoạt tính này (chiếm 40–50% thể tích điện cực) không chỉ làm giảm mật độ năng lượng mà còn gây ra các phản ứng phụ giao diện và làm tăng độ quanh co trong quá trình vận chuyển lithium-ion. Mặc dù thiết kế "Tất cả trong một" (vật liệu thể hiện độ dẫn điện và hoạt tính điện hóa cao) có thể giải quyết những vấn đề này, nhưng các vật liệu hiện có như oxit (dung lượng thấp) và sunfua (chi phí cao) lại khó đáp ứng các yêu cầu của thị trường trong tương lai. Halogen có lợi thế về chi phí thấp và độ dẫn ion cao, nhưng lại không đủ độ dẫn điện tử và mật độ năng lượng. Do đó, việc phát triển các vật liệu tất cả trong một kết hợp hiệu suất điện hóa cao, khả năng mở rộng chi phí thấp với độ ổn định cơ học đã trở thành một thách thức quan trọng.
Đây là một ví dụ tuyệt vời. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Western Ontario ở Canada đã đưa ra một câu trả lời mang tính cách mạng trong nghiên cứu Nature của họ—họ đã thiết kế vật liệu halide đầu tiên trên thế giới, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, với khả năng tự phục hồi động và tích hợp ba trong một (cực âm/chất điện phân/chất dẫn điện). Thông qua các phản ứng oxy hóa khử Fe²⁺/Fe³⁺ thuận nghịch và cơ chế chuyển đổi từ giòn sang dẻo độc đáo, vật liệu này vẫn giữ được 90% công suất sau 3.000 chu kỳ, đạt được mật độ năng lượng điện cực là 529,3 Wh kg⁻¹ (có thể mở rộng lên 725,6 Wh kg⁻¹ với thiết kế composite). Đáng chú ý hơn, chi phí của nó chỉ bằng 26% so với điện cực thông thường. Bức xạ synchrotron cùng với mô phỏng nguyên tử đã lần đầu tiên tiết lộ cơ chế tự phục hồi do di chuyển sắt! Công trình này không chỉ giải phóng vật liệu lõi cho pin thể rắn hoàn toàn mà còn cung cấp một ví dụ điển hình cho thiết kế tất cả trong một tích hợp vật liệu, cơ học và điện hóa. Nhờ nỗ lực to lớn của tất cả các nhà nghiên cứu.
Tóm tắt
Pin thể rắn hoàn toàn đòi hỏi thiết kế catốt tiên tiến để hiện thực hóa tiềm năng về mật độ năng lượng cao và tính khả thi về mặt kinh tế. Catốt tích hợp tất cả trong một, loại bỏ các chất phụ gia dẫn điện không hoạt động và giao diện không đồng nhất, hứa hẹn mang lại năng lượng và độ ổn định đáng kể nhưng bị cản trở bởi các vật liệu thiếu độ dẫn điện Li+/e−, độ bền cơ học và độ ổn định về cấu trúc. Ở đây, chúng tôi giới thiệu Li1.3Fe1.2Cl4, một vật liệu halide tiết kiệm chi phí có thể khắc phục những thách thức này. Tận dụng quá trình oxy hóa khử Fe2+/Fe3+ thuận nghịch và vận chuyển Li+/e− nhanh trong khuôn khổ của nó, Li1.3Fe1.2Cl4 đạt được mật độ năng lượng điện cực là 529,3 Wh kg−1 so với Li+/Li. Quan trọng là Li1.3Fe1.2Cl4 thể hiện các đặc tính động học độc đáo trong quá trình tuần hoàn, bao gồm quá trình di chuyển Fe cục bộ thuận nghịch và quá trình chuyển đổi từ giòn sang dẻo mang lại hành vi tự phục hồi. Điều này cho phép đạt được độ ổn định chu kỳ vượt trội, duy trì khả năng lưu giữ 90% dung lượng trong 3.000 chu kỳ ở tốc độ 5°C. Việc tích hợp Li1.3Fe1.2Cl4 với oxit phân lớp giàu niken giúp tăng thêm mật độ năng lượng lên 725,6 Wh kg−1. Bằng cách khai thác các đặc tính cơ học động và khuếch tán ưu việt của halogenua tất cả trong một, nghiên cứu này thiết lập halogenua tất cả trong một như một hướng đi cho các catốt bền bỉ, giàu năng lượng trong pin thể rắn thế hệ tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1