Bất kể những cân nhắc về hiệu suất, chi phí hay an toàn, pin sạc ở trạng thái rắn là lựa chọn tốt nhất để thay thế năng lượng hóa thạch và cuối cùng hiện thực hóa con đường hướng tới các phương tiện sử dụng năng lượng mới.
Là nhà phát minh ra vật liệu catốt như LiCoO2, LiMn2O4 và LiFePO4, Goodenough nổi tiếng trong lĩnh vựcpin lithium-ionvà thực sự là "cha đẻ của pin lithium-ion".
Trong một bài báo gần đây trên tạp chí NatureElectronics, John B. Goodenough, 96 tuổi, ôn lại lịch sử phát minh ra pin lithium-ion có thể sạc lại và chỉ ra con đường phía trước.
Vào những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra ở Mỹ.Nhận thấy sự phụ thuộc quá mức vào nhập khẩu dầu, chính phủ đã bắt đầu nỗ lực lớn để phát triển năng lượng mặt trời và gió.Do tính chất không liên tục của năng lượng mặt trời và gió,những cục pin có thể tự nạp lạicuối cùng là cần thiết để lưu trữ các nguồn năng lượng sạch và tái tạo này.
Chìa khóa để sạc và xả thuận nghịch là khả năng thuận nghịch của phản ứng hóa học!
Vào thời điểm đó, hầu hết các loại pin không thể sạc lại đều sử dụng điện cực âm lithium và chất điện phân hữu cơ.Để tạo ra pin có thể sạc lại, mọi người bắt đầu nghiên cứu việc nhúng thuận nghịch các ion lithium vào cực âm sunfua kim loại chuyển tiếp xếp lớp.Stanley Whittingham của ExxonMobil đã phát hiện ra rằng có thể đạt được quá trình sạc và xả thuận nghịch bằng cách xen kẽ hóa học sử dụng TiS2 phân lớp làm vật liệu catốt, với sản phẩm phóng điện là LiTiS2.
Pin này do Whittingham phát triển năm 1976 đã đạt được hiệu quả ban đầu tốt.Tuy nhiên, sau nhiều lần sạc và xả, các sợi nhánh lithium hình thành bên trong tế bào, phát triển từ cực âm sang cực dương, tạo ra hiện tượng đoản mạch có thể đốt cháy chất điện phân.Nỗ lực này, một lần nữa, đã kết thúc trong thất bại!
Trong khi đó, Goodenough, người chuyển đến Oxford, đang nghiên cứu xem tối đa có thể tách được bao nhiêu lithium khỏi vật liệu cực âm LiCoO2 và LiNiO2 phân lớp trước khi cấu trúc thay đổi.Cuối cùng, họ đã đạt được khả năng khử nhúng có thể đảo ngược của hơn một nửa lượng lithium khỏi vật liệu cực âm.
Nghiên cứu này cuối cùng đã hướng dẫn Akira Yoshino của AsahiKasei chuẩn bị nghiên cứu đầu tiênpin lithium-ion có thể sạc lại: LiCoO2 làm điện cực dương và than chì làm điện cực âm.Loại pin này đã được sử dụng thành công trong những chiếc điện thoại di động đầu tiên của Sony.
Để giảm chi phí và nâng cao độ an toàn.Pin sạc hoàn toàn rắn với chất điện phân rắn dường như là một hướng phát triển quan trọng trong tương lai.
Ngay từ những năm 1960, các nhà hóa học châu Âu đã nghiên cứu khả năng nhúng thuận nghịch của các ion lithium vào vật liệu sunfua kim loại chuyển tiếp phân lớp.Vào thời điểm đó, chất điện phân tiêu chuẩn cho pin sạc chủ yếu là chất điện phân có tính axit và kiềm mạnh như H2SO4 hoặc KOH.Bởi vì, trong các chất điện phân nước này, H+ có khả năng khuếch tán tốt.
Vào thời điểm đó, pin sạc ổn định nhất được chế tạo với NiOOH phân lớp làm vật liệu cực âm và chất điện phân nước có tính kiềm mạnh làm chất điện phân.h+ có thể được nhúng thuận nghịch vào cực âm NiOOH phân lớp để tạo thành Ni(OH)2.vấn đề là chất điện phân nước đã hạn chế điện áp của pin, dẫn đến mật độ năng lượng thấp.
Năm 1967, Joseph Kummer và NeillWeber của Công ty Ford Motor phát hiện ra rằng Na+ có đặc tính khuếch tán tốt trong chất điện phân gốm ở nhiệt độ trên 300°C.Sau đó, họ phát minh ra pin sạc Na-S: natri nóng chảy làm điện cực âm và lưu huỳnh nóng chảy chứa các dải cacbon làm điện cực dương.Kết quả là, họ đã phát minh ra pin sạc Na-S: natri nóng chảy làm điện cực âm, lưu huỳnh nóng chảy chứa dải carbon làm điện cực dương và gốm rắn làm chất điện phân.Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động 300°C khiến loại pin này không thể thương mại hóa được.
Năm 1986, Goodenough đã sản xuất ra pin lithium có thể sạc lại ở trạng thái rắn hoàn toàn mà không cần tạo dendrite bằng cách sử dụng NASICON.Hiện tại, pin lithium và natri có thể sạc lại ở trạng thái rắn hoàn toàn dựa trên chất điện phân ở trạng thái rắn như NASICON đã được thương mại hóa.
Vào năm 2015, MariaHelena Braga thuộc Đại học Porto cũng đã trình diễn một chất điện phân rắn oxit xốp cách điện có độ dẫn ion lithium và natri tương đương với các chất điện phân hữu cơ hiện đang được sử dụng trong pin lithium-ion.
Nói tóm lại, bất kể những cân nhắc về hiệu suất, chi phí hay an toàn, pin sạc ở trạng thái rắn là lựa chọn tốt nhất để thay thế năng lượng hóa thạch và cuối cùng hiện thực hóa con đường hướng tới các phương tiện sử dụng năng lượng mới!
Thời gian đăng: 25-08-2022