Các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ cải tiến thiết kế chất điện phân cho pin thể rắn có tuổi thọ cao.

Một nhóm nghiên cứu từ Viện Paul Scherrer (PSI) của Thụy Sĩ đã phát triển một phương pháp mới để cải thiện độ ổn định và tuổi thọ của pin thể rắn toàn phần (ASSB). Công trình này tập trung vào chất điện phân rắn loại argyrodite Li₆PS₅Cl (LPSCl), được coi là một trong những vật liệu triển vọng nhất cho pin thể rắn gốc sunfua.

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật thiêu kết mới với việc ứng dụng một lớp thụ động siêu mỏng để vừa làm đặc chất điện phân vừa ổn định giao diện với kim loại lithi.

“Chúng tôi đã kết hợp hai phương pháp, cùng nhau, vừa làm đặc chất điện phân vừa ổn định giao diện với lithium,” tác giả chính Mario El Kazzi cho biết trong một tuyên bố. “Phương pháp của chúng tôi là một giải pháp thiết thực cho việc sản xuất công nghiệp pin thể rắn hoàn toàn dựa trên argyrodite. Với một vài điều chỉnh nữa, nó có thể sẵn sàng để sản xuất hàng loạt.”

Theo tác giả chính Jinsong Zhang, pin được tối ưu hóa đã thể hiện hiệu suất điện hóa mạnh mẽ. Trong quá trình thử nghiệm, pin giữ lại khoảng 75% dung lượng ban đầu sau 1.500 chu kỳ sạc-xả. “Độ ổn định chu kỳ ở điện áp cao rất đáng chú ý,” Zhang cho biết. “Những giá trị này nằm trong số những giá trị tốt nhất được báo cáo cho đến nay.”

LPSCl là chất điện phân rắn gốc sunfua bao gồm liti, phốt pho và lưu huỳnh. Mặc dù có độ dẫn ion cao, việc phát triển thương mại của nó bị hạn chế bởi khó khăn trong việc đạt được độ đặc chắc cần thiết để ngăn chặn sự hình thành các lỗ rỗng có thể bị xâm nhập bởi các nhánh liti.

Các nghiên cứu trước đây dựa vào áp suất rất cao ở nhiệt độ phòng hoặc sự kết hợp giữa áp suất và nhiệt độ trên 400°C để làm đặc vật liệu. Tuy nhiên, những phương pháp này thường dẫn đến cấu trúc vi mô xốp, sự phát triển hạt quá mức và sự suy giảm chất điện phân rắn, làm giảm hiệu suất và độ ổn định của pin.

Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp. Bột LPSCl được ép đơn trục ở áp suất 380 MPa ở nhiệt độ phòng bên trong hộp kín. Các viên nén thu được sau đó được chuyển, trong điều kiện chân không, đến một buồng nối với hộp kín và được ép ở áp suất 50 MPa trong sáu giờ ở nhiệt độ 60°C, 80°C và 100°C.

Quá trình thiêu kết ở 80 °C được xác định là tối ưu, giúp cải thiện độ đồng nhất bề mặt và độ đặc của các viên LPSCl, đồng thời giảm độ xốp và tăng độ dẫn điện ion.

Ở bước thứ hai, các lớp lithium fluoride (LiF) siêu mỏng được lắng đọng trên các lá kim loại lithium dày 50 µm ở nhiệt độ phòng bằng phương pháp bay hơi chùm electron. Lớp phủ LiF có hai chức năng: nó ngăn chặn sự phân hủy điện hóa của chất điện phân rắn khi tiếp xúc với lithium và hoạt động như một rào cản vật lý chống lại sự xâm nhập của các nhánh tinh thể lithium.

Các nhà nghiên cứu đã đánh giá độ dày của lớp LiF ở các mức 40 nm, 65 nm, 100 nm và 130 nm. Độ dày 65 nm được chứng minh là tối ưu, mang lại độ phủ đồng đều giúp cải thiện sự tiếp xúc giữa các lớp và ổn định sự hình thành lớp giao diện điện phân rắn (SEI).

“Sự điều chỉnh kép này giúp tăng gấp đôi mật độ dòng điện tới hạn của pin lithium đối xứng từ 1,1 mA cm⁻² lên 2,2 mA cm⁻²,” các nhà nghiên cứu cho biết. “Trong các pin hoàn chỉnh với cực âm LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ (NCM811), chu kỳ hoạt động ổn định đã đạt được trong hơn 2.700 chu kỳ ở mức 1 mA cm⁻² và 1,5 mAh cm⁻², với 75% dung lượng được giữ lại sau 1.500 chu kỳ.”

Hệ thống này đã được trình bày trong bài báo “ Tác động hiệp đồng của quá trình thiêu kết nhẹ chất điện phân rắn và quá trình thụ động hóa bề mặt lithi để tăng cường chu kỳ kim loại lithi trong pin thể rắn toàn phần ”, được xuất bản trên tạp chí Advanced Science.