Electric field enhances the electronic and diffusion properties of penta-graphene nanoribbon anodes in lithium-ion batteries.

Công nghiệp pin sạc lithium đang phát triển nhanh chóng do nhu cầu ngày càng tăng để sử dụng cho các thiết bị di động và xe điện. Do nhu cầu rất lớn từ xã hội và sự khan hiếm của Lithium trong tự nhiên đã đẩy giá thành của pin sạc Lithium (LIB) lên rất cao và không ngừng tăng. Chưa kể, việc sử dụng pin LIB dẫn đến vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng.

Vì vậy, vấn đề cấp thiết hiện nay là phải giảm chi phí chế tạo pin LIB và cải thiện hiệu suất điện hóa cũng như dung lượng của pin, hoạt động có tính ổn định, dung lượng pin duy trì ổn định sau nhiều chu kì sạc/xả, độ dẫn điện cao, tuổi thọ và thân thiện với môi trường. Để thúc đẩy việc sử dụng xe điện thay vì dùng xe tiêu thụ năng lượng hóa thạch và giúp cho pin sạc có thể được thương mại hóa rộng rãi hơn, bên cạnh việc tăng dung lượng lưu trữ của pin, khả năng sạc nhanh là rất cần thiết. Vì mục đích này, việc giảm rào cản năng lượng cho quá trình khuếch tán lithium-ion có tầm quan trọng sống còn để cải thiện hiệu suất điện hóa của LIB. Đó là mục tiêu nghiên cứu trong bài báo “Electric field enhances the electronic and diffusion properties of penta-graphene nanoribbon anodes in lithium- ion batteries” thuộc danh mục ISI (QI) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- giảng viên Vật lý- khoa Khoa học cơ bản- trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; Ths. Nguyễn Võ Anh Duy; TS. Nguyễn Hoàng Hiếu; TS. Nguyễn Minh Triết - Đại học Cần Thơ; TS. Nguyễn Trúc Anh -Trường Đại học Bách khoa cần Thơ; ThS. Tô Văn Nguyện- Trường Đại học Lê Quý Đôn; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Đại học VinUniversity; TS. Yohandys A. Zulueta - Đại học de Oriente, Santiago de Cuba; GS. TS. Nguyễn Minh Thọ- Đại học Vãn Lang; GS.TS. Peter Schall- Đại học Amsterdam- Hà Lan đăng trên tạp chí RSC Advances (Royal Society of chemistry), số 45 năm 2024 ngày 22 tháng 10 năm 2024. Nghiên cứu trên được thực hiện dưới sự tài trợ của chương trình VinUniversity Seed Funding Program 23-24.

Abstract: Enhancement of the ionic conductivity and reduction of diffusion barriers of lithium-ion batteries are crucial for improving the performance of the fast-growing energy storage devices. Recently, the fast-charging capability of commercial-like lithium-ion anodes with the smallest modification of the current manufacturing technology has been of great interest. We used first principles methods computations with density functional theory and the climbing image-nudged elastic band method to evaluate the impact of an external electric field on the stability, electronic band gap, ionic conductivity, and lithium-ion diffusion coefficient of penta-graphene nanoribbons upon lithium adsorption. By adsorbing a lithium atom, these semiconductor nanoribbons become metal with a formation energy of-0.22 eV, and an applied electric field perpendicular to the surface of these nanoribbons further stabilizes the structure of these lithium-ion systems. Using the Nernst-Einstein relation, in the absence of an electric field, the ionic conductivity of these penta­graphene nanoribbons amounts to 1.24 X 10-4 s cm~l. In the presence of an electric field, this conductivity can reach a maximum value of 8.89 X 10-2 s cm-1, emphasizing the promising role of an electric field for supporting fast-charging capability. Our results highlight the role of an external electric field as a novel switch to improve the efficiency of lithium-ion batteries with penta-graphene nanoribbon electrodes and open a new horizon for the use of pentagonal materials as anode materials in the lithium-ion battery industry.

Keyword: Lithium-ion batteries; Penta-graphene nanoribbon; Electric field

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1039/D4RA05464D

Một vài hình vẽ trong bài báo