AZoM nói chuyện với Tiến sĩ Rajashekar Badam từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) về phương pháp chế tạo cực dương được công thức gần đây của ông có thể mở đường cho việc sạc pin lithium-ion rất nhanh.

Với những lo ngại về biến đổi khí hậu hiện nay, tại sao việc chuyển từ ô tô chạy xăng sang xe điện (EV) lại quan trọng đến vậy?

Nhìn chung, toàn thế giới đang trong giai đoạn chuyển đổi từ sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo hơn. Giờ đây, điều quan trọng hơn bao giờ hết là chúng ta phải đưa ra những quyết sách quyết liệt về biến đổi khí hậu. Ô nhiễm phương tiện giao thông là một nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm tổng thể. Do đó, ngành công nghiệp ô tô đang tiến tới EVs để giảm cả mức độ ô nhiễm và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Tại sao điều quan trọng là phải cải tiến xe điện để khiến chúng hấp dẫn hơn so với xe ô tô chạy bằng xăng thông thường?

Pin Lithium-ion là thành phần chính của xe điện. Tuy nhiên, chúng hiện đang đắt do sự chênh lệch trong phân bố kim loại Li và Co ở một số quốc gia, và một số trong số chúng không ổn định về mặt chính trị.

Bên cạnh sự an toàn, độ bền của pin được sử dụng trong xe điện và số phận của giá đỡ pin đã qua sử dụng là những câu hỏi quan trọng đối với khách hàng. Đây là một số nút thắt cản trở việc mở rộng thị trường đại chúng của xe điện.

Ngoài tính tự chủ, an toàn và độ bền, điều chính mà mọi người muốn ở Evs là gì?

Bên cạnh những khía cạnh đã nói ở trên, cải tiến quan trọng nhất mà hầu hết mọi người muốn là giảm thời gian sạc. Hầu hết các EV hàng đầu hiện nay mất ít nhất 40 đến 90 phút để sạc đầy. Ngược lại, chỉ cần vài phút là có thể đổ đầy bình của những chiếc xe chạy bằng xăng thông thường.

Triển vọng hiện tại của các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp pin là tối ưu hóa pin và vật liệu của nó để có thể sạc siêu nhanh.

Điều gì đã truyền cảm hứng cho nghiên cứu của bạn về việc cải tiến pin EV?

Trong số một số loại vật liệu cực dương, than chì là ứng cử viên duy nhất chứng kiến ​​bộ mặt thương mại hóa. Không giống như Li và Co, than chì là một thách thức tương đối ít hơn đối với ngành công nghiệp khi cung cấp. Tuy nhiên, hầu hết ngành công nghiệp EV hiện tại thích than chì tổng hợp hơn than chì tự nhiên để có hiệu suất tốt hơn.

Graphit tổng hợp rất đắt tiền và có tác động nghiêm trọng đến môi trường. Hơn nữa, graphite không có khả năng đáp ứng nhu cầu sạc nhanh của ngành công nghiệp EV do khuyết tật cố hữu của động học khuếch tán Li-ion chậm.

Graphene (và các vật liệu 2D khác) có thể giúp giải quyết những vấn đề này, nhưng việc thương mại hóa vẫn còn quá xa vời do giá thành của nó.

Chúng tôi đã nhìn thấy một phạm vi rộng lớn trong việc khám phá lacuna này với kỹ năng độc đáo mà nhóm của chúng tôi có tại JAIST, kết hợp khoa học vật liệu, hóa học polyme và điện hóa học.

Hiện tại, mất khoảng 40 phút để sạc lại xe điện, trong khi xe ga truyền thống có thể được 'sạc lại' chỉ trong vài phút.

Thời gian sạc cần đạt được để biến xe điện trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn và khả thi cho ô tô chạy bằng xăng?

Để biến EVs trở thành một giải pháp thay thế khả thi cho các loại xe chạy bằng gas thông thường, thời gian sạc pin cần giảm xuống ít nhất 15-30 phút. Điều này sẽ xác định mức độ hài lòng của khách hàng. Nhưng ý tưởng hiện tại là sạc 10 phút để đạt 80% trạng thái sạc (SoC) và loại sạc này được gọi là sạc cực nhanh (XFC).

Bạn có thể cung cấp thông tin tổng quan về cách nhóm của bạn đạt được pin lithium-ion sạc cực nhanh (LIB) không?

Cải thiện sự khuếch tán Li-ion bên trong cực dương và các vị trí hoạt động sẵn có để hóa thạch là những khía cạnh quan trọng quyết định khả năng sạc nhanh và dung lượng cụ thể cao (tổng lượng điện tích có thể được lưu trữ trên mỗi gam vật liệu hoạt động) của vật liệu cực dương.

Theo một chiến lược thiết kế, cả hai đặc tính vật liệu này có thể được sửa đổi bằng cách tăng khoảng cách giữa các lớp của các lớp cacbon hoặc đưa vào pha tạp nguyên tử dị hoạt tính điện hóa như nitơ. Mặc dù đã có nhiều báo cáo trong thập kỷ qua dựa trên graphene / carbon pha tạp nitơ sử dụng graphene oxide hoặc sucrose làm nguồn carbon và urê / melamine làm nguồn nitơ, lượng pha tạp tối đa có thể đạt được là < 15% với năng suất than đá <40%.

Các quy trình năng suất than thấp này tạo ra một lượng lớn khí nhà kính như CO 2  trong quá trình chuẩn bị. Do đó, chiến lược của chúng tôi là phát triển một phương pháp biến đổi với cả một tiền chất duy nhất là nguồn cacbon và nitơ với năng suất than cao và tăng khoảng cách giữa các lớp.

Trình diễn ô tô đồ chơi với hai ô đồng xu CR 2025 sử dụng cực dương PY-PBI-800 và 2 cực âm LiCoO.

Với nền tảng này, nhóm nghiên cứu của chúng tôi (Giáo sư Noriyoshi Matsumi, Giáo sư Tatsuo Kaneko, Giảng viên Rajashekar Badam, Chuyên gia Kỹ thuật Koichi Higashimine, Thành viên Nghiên cứu Yueying Peng, và sinh viên Kottisa Sumala Patnaik) đã sử dụng polybenzimidazole chịu nhiệt, một loại dựa trên sinh học polyme với gần 22% nguyên tử nitơ, như một nguồn duy nhất để điều chế vật liệu cacbon.

Sử dụng phương pháp nhiệt phân đơn giản ở 800 ℃, cacbon pha tạp nitơ đã được điều chế với khoảng cách giữa các lớp được cải thiện là 3,5 Å so với than chì có 3,3 Å và gần 17% trọng lượng nitơ được giữ lại trong vật liệu.

Nói chung, không gian lớp xen kẽ rộng hơn cải thiện sự khuếch tán tự do của các ion Li-on, thúc đẩy quá trình sạc nhanh. Năng suất than đá được tìm thấy là ~ 95% trong phương pháp luận của chúng tôi, có nghĩa là chúng tôi đã giảm gần 55% lượng phát thải khí nhà kính trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu.

Ngoài ra, sử dụng XPS đã quan sát thấy rằng các loại nitrogens graphitic, pyridinic và pyrrolic được đưa vào ma trận carbon.

Khi phóng điện tích tĩnh điện được tiến hành bằng cách sử dụng các nửa tế bào anốt, vật liệu cacbon pha tạp nitơ mới, PY-PBI-800, hoạt động tốt hơn graphit ở tốc độ cao (tốc độ dòng điện tương đương 10 C đối với graphit) với ít nhất hai lần công suất cho lên đến 3000 chu kỳ.

Hơn nữa, các tế bào được sạc theo chu kỳ với tốc độ sạc cực nhanh là 7,5, 11 và 18,6 Ag -1, mất 25, 15 và 3,5 giây để sạc. Pin cho thấy hiệu suất ổn định lên đến 3000 chu kỳ với hơn 80% dung lượng duy trì.

Bạn đã sử dụng những kỹ thuật nào để xác minh việc tổng hợp thành công nguyên liệu tiền chất?

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác minh việc tổng hợp thành công vật liệu tiền thân bằng phương pháp quang phổ FT-IR.

Bạn có so sánh tính năng của vật liệu này với bất kỳ vật liệu thường dùng nào khác không, và nếu có, kết quả của cuộc thử nghiệm như vậy là gì?

Vật liệu carbon mới, PY-PBI-800, đã được so sánh với graphite cấp pin thông dụng nhất. Ở tốc độ hiện tại là 0,04, 0,07 và 0,20 A g −1 , PY-PBI-800 cung cấp công suất phóng điện lần lượt là 388, 326 và 254 mA hg −1 , trong khi graphite cung cấp khả năng phóng điện là 258, 244 và 145 mA hg −1 .

Tóm lại, PY-PBI-800 cho thấy dung lượng gần gấp đôi than chì ở tất cả các tốc độ sạc với độ ổn định đặc biệt.

Ưu điểm của vật liệu anốt được đề xuất này là gì?

Vật liệu carbon mới, PY-PBI-800, có nguồn gốc từ polyme sinh học làm tiền chất. Khoảng 95% năng suất than giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình nhiệt phân. Chi phí của PY-PBI-800, về mặt chuẩn bị quy mô phòng thí nghiệm, được phát hiện là thấp hơn gần 45 lần so với graphene pha tạp N thương mại.

Vật liệu cực dương PY-PBI-800 có nhiều ưu điểm thú vị, chẳng hạn như hiệu suất đồng kết hợp ban đầu cao, dung lượng riêng cao hơn, khả năng tuần hoàn và sạc cực nhanh trong vài nghìn chu kỳ, v.v. đối với hành vi điện hóa.

Quan trọng nhất, có thể thực hiện các sửa đổi cấu trúc khác nhau đối với tiền chất polyme để điều chỉnh khoảng cách giữa các lớp, hàm lượng pha tạp nitơ, diện tích bề mặt, kích thước lỗ, v.v. của vật liệu cacbon. Do đó, có rất nhiều khả năng để điều chỉnh cấu trúc và do đó, hoạt động của vật liệu cực dương, điều không thể sử dụng các tiền chất thông thường như sucrose / graphite và urê / melamine.

Khi nào thì khả năng sạc nhanh này sẽ được triển khai thành các xe điện có bán trên thị trường?

Bộ năng lượng Hoa Kỳ đã đặt mục tiêu đạt được XFC trong vòng 10 phút vào năm 2028. Do đó, việc thương mại hóa XFC có thể trong vòng 5-10 năm tới.

Các bước tiếp theo cho nghiên cứu của bạn là gì?

Các sửa đổi cấu trúc khác nhau có thể được thực hiện đối với tiền chất polyme hiện có để tối ưu hóa các đặc tính nhất định, chẳng hạn như diện tích bề mặt, khoảng cách giữa các lớp, độ xốp, hàm lượng và loại nitơ được pha tạp vào ma trận cacbon.

Việc thay đổi các điều kiện nhiệt phân cũng sẽ ảnh hưởng đến các khía cạnh cấu trúc và do đó, các đặc tính điện hóa của cacbon.

Trong tương lai, chúng tôi hướng tới việc thực hiện xã hội thông qua nghiên cứu chung với các ngành công nghiệp. Chúng tôi hy vọng rằng sự phát triển của công nghệ sạc nhanh sẽ dẫn đến sự phát triển của các công nghệ góp phần hiện thực hóa một xã hội các-bon thấp.

(Nguồn: www.azom.com)

 

Cảm ơn đã theo dõi hết bài viết!!!