Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm điện thoại di động, máy tính xách tay và ô tô điện. Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông nước ngoài, nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã nghiên cứu chất điện phân rắn của pin thể rắn. Những phát hiện này giúp phát triển công nghệ pin an toàn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Chất điện phân giống như một lớp màng, cho phép ion lithium di chuyển giữa cực âm và cực dương của pin. Khác với pin lithium-ion truyền thống sử dụng chất điện phân lỏng, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn. Những vật liệu này không dễ bay hơi và không dễ cháy, giúp phát triển những viên pin có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài hơn và an toàn hơn. Đặc tính phản ứng của chất điện phân rắn với lithium kim loại cũng thấp hơn, do đó chúng phù hợp hơn với điện cực lithium kim loại so với chất điện phân lỏng. Mật độ năng lượng của lithium kim loại cao hơn so với vật liệu điện cực than chì truyền thống, vì tất cả các nguyên tử trong lithium kim loại đều có thể tham gia vào chu trình sạc và xả.
Là một chất điện phân rắn có triển vọng, garnet lithium lanthanum zirconium (LLZO) có độ ổn định, độ bền và độ dẫn ion cao, giúp truyền ion lithium hiệu quả giữa các cực. Để cải thiện hiệu suất của LLZO, các nhà nghiên cứu đã cố gắng thêm một số nguyên tố nhỏ (như nhôm hoặc gallium) để nâng cao khả năng dẫn lithium của LLZO và tăng cường độ dẫn điện. Quá trình này được gọi là doping, liên quan đến việc thêm một lượng nhỏ của nguyên tố khác để thay đổi đặc tính của vật liệu. Doping nhôm hoặc gallium giúp LLZO duy trì cấu trúc đối xứng nhất, tạo ra các khoảng trống thuận lợi cho sự di chuyển của ion lithium, từ đó nâng cao tính dẫn điện. Tuy nhiên, hành vi doping này cũng làm tăng độ phản ứng của LLZO với lithium kim loại, dẫn đến làm giảm tuổi thọ chu trình của pin.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra điều gì xảy ra khi LLZO có chứa chất doping nhôm hoặc gallium tiếp xúc với lithium kim loại. Họ đã sử dụng công nghệ tính toán và thực nghiệm để phát hiện rằng gallium thường dễ dàng bị loại bỏ hơn từ chất điện phân và dễ phản ứng với lithium để hình thành hợp kim, dẫn đến giảm hàm lượng gallium trong LLZO. Điều này sẽ làm thay đổi cấu trúc của garnet lithium và làm giảm độ dẫn ion. Ngược lại, LLZO được doping nhôm có thể giữ trạng thái ổn định hơn.
Độ dẫn ion của LLZO được doping gallium cao hơn so với LLZO được doping nhôm. Nhưng nó có tính phản ứng khi tiếp xúc với lithium, điều này chỉ ra rằng cần có một lớp giao diện để duy trì độ dẫn điện của nó, đồng thời ngăn chặn sự suy thoái.
Chuyên gia nghiên cứu chính của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, nhà vật lý Peter Zapol cho biết: “Những phát hiện này làm sáng tỏ cách các chất doping khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của LLZO, cung cấp cơ sở để phát triển pin thể rắn đáng tin cậy hơn. Hiểu cách các chất doping phản ứng với lithium rất quan trọng, bên cạnh tính dẫn điện cao, đây là một yêu cầu khác để có được chất điện phân tốt.”
Chuyên gia thực nghiệm chính của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, nhà hóa học Sanja Tepavcevic cho biết: “Nếu các chất doping không ổn định, thì không đủ để cải thiện tính dẫn điện. Nếu chúng ta có thể tách biệt phản ứng và tính dẫn điện, hoặc phát triển một vật liệu vừa có tính dẫn điện cao vừa có độ ổn định, đây thực sự là điều mà chúng tôi muốn thể hiện qua công việc này.”
