Các nhà nghiên cứu của KIT đã sử dụng các mô phỏng để mô tả đặc điểm của sự hình thành chất điện phân rắn xen kẽ. Ảnh: Christine Heinrich Show  Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, pin lithium-ion đã trở nên không thể thiếu. Chúng chỉ hoạt động nhờ lớp thụ động hình thành trong chu kỳ ban đầu của chúng. Như các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã phát hiện ra thông qua mô phỏng, chất trung gian điện phân rắn này phát triển không trực tiếp ở điện cực mà tổng hợp trong dung dịch. Nghiên cứu của họ đã được đăng trên tạp chí Advanced Energy Materials. Phát hiện của họ cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin trong tương lai. Từ điện thoại thông minh cho đến ô tô điện—bất cứ nơi nào cần có nguồn năng lượng di động—thì pin lithium-ion hầu như luôn thực hiện công việc. Một phần thiết yếu của chức năng đáng tin cậy của loại pin này và các loại pin điện phân lỏng khác là chất điện phân rắn xen kẽ (SEI). Lớp thụ động này hình thành khi điện áp được đặt lần đầu tiên. Chất điện phân đang bị phân hủy ngay gần bề mặt. Cho đến nay, vẫn chưa rõ làm thế nào các hạt trong chất điện phân tạo thành một lớp dày tới 100 nanomet trên bề mặt của điện cực vì phản ứng phân hủy chỉ có thể xảy ra trong khoảng cách vài nanomet tính từ bề mặt. Lớp thụ động trên bề mặt cực dương rất quan trọng đối với khả năng điện hóa và tuổi thọ của pin lithium-ion vì nó chịu ứng suất cao sau mỗi chu kỳ sạc. Khi SEI bị phá vỡ trong quá trình này, chất điện phân tiếp tục bị phân hủy và dung lượng của pin bị giảm—một quá trình quyết định tuổi thọ của pin. Với kiến thức đúng về sự phát triển và thành phần của SEI, các thuộc tính của pin có thể được kiểm soát. Nhưng cho đến nay, không có phương pháp thử nghiệm hoặc hỗ trợ máy tính nào đủ để giải mã các quá trình phát triển phức tạp của SEI diễn ra trên quy mô rất rộng và ở các chiều khác nhau. Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ nano KIT (INT) hiện đã quản lý để mô tả đặc điểm của sự hình thành SEI bằng cách tiếp cận đa quy mô. Giáo sư Wolfgang Wenzel, giám đốc nhóm nghiên cứu "Mô hình vật liệu đa quy mô và thiết kế ảo" cho biết: "Điều này giải quyết được một trong những bí ẩn lớn liên quan đến một phần thiết yếu của tất cả các loại pin điện phân lỏng—đặc biệt là pin lithium-ion mà tất cả chúng ta sử dụng hàng ngày". INT, công ty tham gia vào sáng kiến nghiên cứu quy mô lớn của châu Âu BATTERY 2030+ nhằm mục đích phát triển các loại pin hiệu suất cao bền vững, an toàn, giá cả phải chăng, lâu dài cho tương lai. Hơn 50.000 mô phỏng cho các điều kiện phản ứng khác nhau Để kiểm tra sự phát triển và thành phần của lớp thụ động hóa ở cực dương của pin chất điện phân lỏng, các nhà nghiên cứu tại INT đã tạo ra một tập hợp gồm hơn 50.000 mô phỏng đại diện cho các điều kiện phản ứng khác nhau. Họ phát hiện ra rằng sự phát triển của SEI hữu cơ tuân theo một lộ trình qua trung gian giải pháp. Đầu tiên, các tiền chất SEI được hình thành trực tiếp trên bề mặt sẽ nối cách xa bề mặt điện cực thông qua quá trình tạo mầm. Sự phát triển nhanh chóng sau đó của các hạt nhân dẫn đến sự hình thành một lớp xốp mà cuối cùng sẽ bao phủ bề mặt điện cực. Những phát hiện này đưa ra một giải pháp cho tình huống nghịch lý là các thành phần SEI chỉ có thể hình thành gần bề mặt, nơi có sẵn các điện tử, nhưng sự phát triển của chúng sẽ dừng lại khi vùng hẹp này bị che phủ. Tiến sĩ Saibal Jana, postdoc tại INT và là một trong những tác giả của nghiên cứu giải thích: “Chúng tôi có thể xác định các thông số phản ứng chính quyết định độ dày của SEI. "Điều này sẽ cho phép phát triển các chất điện phân và chất phụ gia phù hợp trong tương lai để kiểm soát các đặc tính của SEI và tối ưu hóa hiệu suất cũng như tuổi thọ của pin." Như hình bên dưới, vùng an toàn nằm trên đường chấm. Trong trường hợp này, vật liệu được đề cập có khả năng chịu được mọi sự kết hợp của tải trọng và chu kỳ động trong môi trường không ăn mòn. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn, vật liệu đó sẽ bị vỡ sau một số chu kỳ động nhất định. Điều này được biểu thị bằng đường cong đi vào vùng nguy hiểm bên dưới đường chấm trong hình. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra. Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt. Hiện tượng[sửa | sửa mã nguồn]Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. Các định luật quang điện và giải thích[sửa | sửa mã nguồn]Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định luật quang điện.
Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện. Theo liên hệ Planck–Einstein, mỗi photon có tần số sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng Ở đây, là hằng số Planck. Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc:
Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:
Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:
có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi chính là giới hạn quang điện của kim loại. Hiệu ứng quang dẫn[sửa | sửa mã nguồn]Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn). Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời... |
