Ứng dụng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Q5500 của TA Instruments trong nghiên cứu pin

Các nhóm nghiên cứu ở Berkeley và Pittsburg (Hoa Kỳ) sử dụng thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA Q5500 của TA Instruments vừa thành công trong việc công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature Materials (chỉ số ảnh hướng IF=38.89) số tháng 4 năm 2020.

Nghiên cứu được công bố có tiêu đề là “Các nguyên tắc chung trong thiết kế cơ-hóa học của chất dẫn điện ion rắn nhằm ngăn sự hình thành tinh thể đuôi gai trong pin kim loại lithium”.

Pin lithium kim loại, còn được gọi là pin liti, sử dụng kim loại lithium (liti) làm anode (cực dương), có dung tích lưu trữ rất lớn (tuổi thỏ dài), tuy nhiên chưa được ứng dụng rộng rãi như các loại pin lithium ion hay lithium polymer.

Nhược điểm lớn nhất của pin kim loại lithium là việc hình thành đuôi gai trên bề mặt cực dương trong quá trình sạc điện. Đây là các cấu trúc tinh thể sợi nhánh (mọc tua tủa như lông) giống như cành cây, được hình thành do sự lắng đọng của lithium trong quá trình sạc do có gradient tập trung ion Li+ cao trong chất điện phân xung quanh cực dương. Những nhánh đuôi gai dài nhọn này gây ra tác hại đáng kể đến trạng thái ổn định của pin, chẳng hạn như có thể xuyên qua cấu trúc dải phân cách giữa các mặt cực dương và cực âm trong pin, dẫn đến mất an toàn trong sử dụng, nhanh chóng sụt điện áp và khiến pin bốc cháy.

Nghiên cứu này đưa ra giải pháp là những nguyên tắc thiết kế để hạn chế tối đa hiện tượng hình thành đuôi gai trong pin kim loại lithium, qua đó khắc phục được nhược điểm chết người của loại pin này. Nghiên cứu này mở ra cánh cửa trong tương lai cho phép pin kim loại lithium có thể được ứng dụng rộng rãi thay thế cho các loại pin lithium ion hay lithium polymer.

Hệ thống phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Q5500 của TA Instrumenst cũng đóng góp một phần nhỏ vào kết quả của nghiên cứu này. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tới TGA để phân tích đặc tính cơ-hóa học của vật liệu pin kim loại lithium (hình 1 và hình 2). Sau nhiều thí nghiệm, họ thu được kết luận rằng LESA 3 là công thức tối ưu cho những nghiên cứu sau này.

Hình 1. Bảng đặc tính cơ-hóa học của các vật liệu polyme nanocompozit (LESA 1-6) trong LiF@PIM-1  (hình ảnh được sao chép và sửa đổi dựa theo Fu C. et al., 2020).

Hình 2. Sử dụng TGA để xác định lượng LiF được nạp vào pin LiF@PIM. TGA được thực hiện trong khí trơ Argon từ nhiệt độ phòng tăng lên đến 600^oC, tốc độ gia nhiệt là 10^oC/phút với quá trình đẳng nhiệt ở 600^oC kéo dài 1h. PIM-1 bị phân hủy hoàn toàn nên khối lượng dư của các vật liệu LESA 1-6 chính là lượng LiF còn sót lại. (hình ảnh được sao chép và sửa đổi dựa theo Fu C. et al., 2020.

TGA 5500 của TA Instruments là hệ thống máy phân tích nhiệt trọng lượng có hiệu năng hàng đầu thế giới về độ nhạy, độ chính xác và độ lặp lại. TGA 5500 được thiết kế cho những nhà nghiên cứu hàng đầu trên thế giới với những yêu cầu khắt khe nhất về độ tin cậy của dữ liệu có thể sử dụng. Với cơ chế kiểm soát chính xác nhiệt độ và công nghệ Tru-Mass™ Balance giảm thiểu độ trôi tín hiệu, TGA 5500 cung cấp dữ liệu có độ trôi tín hiệu tốt vượt trội so với các thiết bị khác trên thị trường (kể cả khi các thiết bị khác đã sử dụng thuật toán xử lý dữ liệu sau khi thực hiện thí nghiệm). Công nghệ buồng đốt “Low Mass IR” cho phép tốc độ gia nhiệt/làm mát nhanh nhất có thể. Công nghệ lấy mẫu và nạp mẫu tự động giúp tăng năng suất lao động cho người sử dụng.

Bảng tính năng và thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA 5500 và các cấu hình máy khác:

• Không có     ○ Tùy chọn        ● Đã bao gồm

*khi chưa trừ tín hiệu nền

Bài viết dựa trên bài báo gốc của tạp chí “Nature Materials”:

Fu, C., Venturi, V., Kim, J. et al. Universal chemomechanical design rules for solid-ion conductors to prevent dendrite formation in lithium metal batteries. Nat. Mater. 19, 758–766 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0655-2

Tổng hợp bởi Nguyễn Vũ Sỹ