Các nhà khoa học khám phá phưong pháp mới để ổn định vật liệu catốt

Nghiên cứu được công bố trên Nature Communications, đã chứng minh rằng gradient hóa trị có thể sử dụng như một phương pháp mới để ổn định cấu trúc của các catốt hàm lượng niken cao chống lại sự suy thoái và các vấn đề an toàn.

Các catốt có hàm lượng niken cao đã thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học nhờ công suất lớn, một đặc tính hóa học có thể cung cấp năng lượng cho xe điện trong khoảng cách xa hơn nhiều so với pin hiện nay. Thật đáng tiếc, hàm lượng niken cao cũng làm cho các vật liệu catốt này xuống cấp nhanh hơn, tạo ra các vết nứt và các vấn đề về độ ổn định như chu kỳ pin.

Để tìm kiếm giải pháp cho những vấn đề cấu trúc này, các nhà khoa học đã tổng hợp chế tạo các vật liệu với gradient nồng độ niken, trong đó nồng độ niken thay đổi dần từ bề mặt của vật liệu đến trung tâm hoặc phần lớn của vật liệu. Những vật liệu này đã cho thấy nâng cao sự ổn định đáng kể, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định được liệu chỉ riêng gradient nồng độ có phải là nguyên nhân dẫn đến những cải tiến hay không.

Theo truyền thống, gradient nồng độ không thể tách rời khỏi một hiệu ứng khác được gọi là gradient hóa trị, hoặc sự thay đổi dần dần trạng thái oxy hóa của niken từ bề mặt của vật liệu sang dạng khối. Trong nghiên cứu mới do Phòng thử nghiệm Brookhaven dẫn dắt, các nhà hóa học tại Phòng thử nghiệm Quốc gia Argonne của DOE đã tổng hợp một vật liệu độc đáo giúp tách rời gradient hóa trị khỏi gradient nồng độ.

Nhà hóa học Ruoqian Lin của  Brookhaven, tác giả  đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng một vật liệu rất độc đáo bao gồm gradient hóa trị niken mà không có gradient nồng độ niken. Nồng độ của cả ba kim loại chuyển tiếp trong vật liệu làm catốt là như nhau từ bề mặt đến khối lượng, nhưng trạng thái oxy hóa của niken đã thay đổi. Chúng tôi thu được những đặc tính này bằng cách kiểm soát bầu không khí bao quanh của vật liệu và thời gian nung trong quá trình tổng hợp. Với thời gian nung đủ, độ bền liên kết mạnh hơn giữa mangan và oxy thúc đẩy sự di chuyển của oxy vào lõi vật liệu trong khi duy trì trạng thái oxy hóa Ni2 + đối với niken ở bề mặt, tạo thành gradien hóa trị".

Sau khi các nhà hóa học tổng hợp thành công một vật liệu có gradient hóa trị tách rời, tiếp theo các nhà nghiên cứu tại Brookhaven đã nghiên cứu hiệu suất của nó bằng cách sử dụng hai cơ sở của Văn phòng Khoa học DOE tại Phòng thử nghiệm Brookhaven — Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) và Trung tâm Vật liệu nano Chức năng ( CFN).

Tại NSLS-II, một nguồn ánh sáng tia X siêu sáng, nhóm đã sử dụng hai trạm thí nghiệm tiên tiến, chùm tia X-quang Nanoprobe (HXN) cứng và chùm tia Hình ảnh tia X toàn trường (FXI). Bằng cách kết hợp khả năng của cả hai đường tia, các nhà nghiên cứu có thể hình dung cấu trúc quy mô nguyên tử và cấu trúc hóa học của mẫu ở chế độ 3-D sau khi pin hoạt động qua nhiều chu kỳ.

Yong Chu, lãnh đạo chương trình hình ảnh và kính hiển vi tại NSLS-II và là nhà khoa học dẫn đầu về chùm tia tại HXN, cho biết: "Cả hai đường tia đều có khả năng hàng đầu trên thế giới. Bạn không thể thực hiện nghiên cứu này ở bất kỳ nơi nào khác. FXI là chùm tia nano nhanh nhất trên thế giới; nó nhanh hơn khoảng mười lần so với bất kỳ đối thủ cạnh tranh nào khác. HXN chậm hơn nhiều, nhưng nó nhạy hơn nhiều - đó là dòng chùm hình ảnh tia X có độ phân giải cao nhất trên thế giới".

Nhà khoa học về dòng tia HXN Xiaojing Huang cho biết thêm: "Tại HXN, chúng tôi thường xuyên chạy các phép đo ở chế độ đa phương thức, có nghĩa là chúng tôi thu thập nhiều tín hiệu đồng thời. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tín hiệu huỳnh quang và tín hiệu chụp ảnh thực vật để tái tạo lại mô hình 3-D của mẫu ở kích thước nano. Kênh huỳnh quang cung cấp sự phân bố nguyên tố, xác nhận thành phần và tính đồng nhất của mẫu. Kênh chụp ảnh thực vật cung cấp thông tin cấu trúc có độ phân giải cao, hiển thị bất kỳ vết nứt nào trong mẫu".

Trong khi đó tại FXI, Lin nói: "chùm tia cho thấy gradient hóa trị tồn tại ra sao trong vật liệu này. Bởi vì chúng tôi tiến hành chụp ảnh toàn khung hình với tốc độ thu thập dữ liệu rất cao, chúng tôi có thể nghiên cứu nhiều vùng và tăng độ tin cậy thống kê của nghiên cứu".

Tại Cơ sở Kính hiển vi Điện tử CFN, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua tiên tiến (TEM) để hình dung mẫu với độ phân giải siêu cao. So với các nghiên cứu tia X, TEM chỉ có thể thăm dò một khu vực nhỏ hơn nhiều của mẫu và do đó ít đáng tin cậy hơn về mặt thống kê trên toàn bộ mẫu, nhưng ngược lại, dữ liệu lại chi tiết và trực quan hơn rất nhiều.

Bằng cách kết hợp dữ liệu thu thập được trên tất cả các cơ sở khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể xác nhận gradient hóa trị đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của pin. Gradient hóa trị "giấu" các vùng niken điện dung hơn nhưng kém ổn định hơn ở trung tâm của vật liệu, chỉ thấy niken có cấu trúc hơn ở bề mặt. Sự sắp xếp quan trọng này đã ngăn chặn sự hình thành của các vết nứt. Các nhà nghiên cứu cho biết công trình này làm nổi bật các vật liệu gradient nồng độ có thể tác động tích cực đối với hiệu suất của pin đồng thời đưa ra một phương pháp mới để ổn định các vật liệu catốt hàm lượng niken cao thông qua gradient hóa trị.

Lin cho biết: “Những phát hiện này đã cho chúng tôi hướng dẫn rất quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu mới lạ và thiết kế vật liệu catốt, mà chúng tôi sẽ áp dụng trong các nghiên cứu của mình trong tương lai.

Phòng thử nghiệm Quốc gia Brookhaven

Tố Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager – Hoa Kỳ