Yu Ki San
Writer
Pin lithium thể rắn từ lâu đã được xem là công nghệ lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn cho tương lai, với ưu điểm vượt trội về mật độ năng lượng (giúp pin nhỏ gọn hơn hoặc có dung lượng cao hơn) và đặc biệt là tính an toàn (không dùng chất điện giải lỏng dễ cháy, giảm nguy cơ cháy nổ). Tuy nhiên, việc thương mại hóa công nghệ này vẫn gặp hai rào cản kỹ thuật lớn: độ bền cơ học kém và chi phí sản xuất cao. Tin vui là các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố những đột phá quan trọng giúp giải quyết cả hai vấn đề này.
Khắc phục điểm yếu chí mạng: Độ mỏi của Anode
Một trong những thách thức lớn nhất của pin thể rắn dùng cực anode bằng kim loại lithium là hiện tượng nứt vỡ hoặc hình thành các cấu trúc dạng sợi nhánh (dendrite) gây đoản mạch sau một số chu kỳ sạc/xả. Chất điện phân rắn, dù an toàn hơn, lại kém linh hoạt trong việc hấp thụ sự giãn nở và co lại của kim loại lithium trong quá trình hoạt động.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí uy tín Science vào ngày 18/4 vừa qua, một nhóm nhà khoa học từ Đại học Đồng Tế và Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung đã phát hiện ra nguyên nhân cốt lõi: sự thất bại cơ học này liên quan trực tiếp đến "độ mỏi chu kỳ" (cyclic fatigue) của chính cực anode kim loại lithium. Tương tự như việc một chiếc kẹp giấy bị bẻ cong liên tục sẽ yếu dần và gãy, cực anode lithium cũng bị "mỏi" và suy giảm độ bền dưới áp lực cơ học lặp đi lặp lại trong mỗi chu kỳ sạc/xả, dẫn đến nứt vỡ. Việc xác định được cơ chế vật lý rõ ràng này, theo các nhà khoa học pin của Mỹ Jagjit Nanda và Sergiy Kalnaus, là cực kỳ quan trọng, cung cấp cơ sở định lượng để dự đoán tuổi thọ pin và mở ra hướng thiết kế các cấu trúc anode hoặc lớp tiếp xúc bền vững hơn.
Giải bài toán chi phí: Chất điện phân rắn siêu rẻ
Bên cạnh độ bền, chi phí sản xuất cao, đặc biệt là chi phí của chất điện phân rắn gốc sulfide (vốn có hiệu suất cao nhưng giá thường trên 195 USD/kg, cần giảm xuống dưới 50 USD/kg để phổ biến), cũng là một trở ngại lớn. Trước đó, vào tháng 7 năm ngoái, một nhóm chuyên gia từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) đã công bố phát triển thành công một chất điện phân rắn gốc sulfide mới có tên Li₇P₃S₇.₅O₃.₅ (LPSO). Điểm đột phá của LPSO là nó được tổng hợp từ các hợp chất tiền chất giá rẻ, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng Lithium sulfide (Li₂S) cực kỳ đắt đỏ. Nhờ đó, chi phí nguyên vật liệu để sản xuất LPSO được ước tính chỉ còn khoảng 14,42 USD/kg, bằng chưa đến 8% so với các chất điện phân rắn gốc sulfide khác. Một bộ pin thử nghiệm sử dụng LPSO đã chứng minh khả năng hoạt động ổn định hơn 4.200 giờ ở nhiệt độ phòng.
Đẩy nhanh thương mại hóa
Những đột phá trong phòng thí nghiệm này đang được các viện nghiên cứu và doanh nghiệp Trung Quốc tích cực hợp tác để đưa vào ứng dụng thực tế. Mới đây, Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã ký thỏa thuận hợp tác chiến lược với gã khổng lồ xe điện và pin BYD, tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các lĩnh vực tiên tiến, trong đó có pin thể rắn. Sự hợp tác này được kỳ vọng sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa công nghệ pin thể rắn "made in China".
Với việc đồng thời giải quyết được hai nút thắt lớn về độ bền và chi phí, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang tạo ra những bước tiến quan trọng, đưa công nghệ pin thể rắn an toàn và hiệu quả hơn đến gần hơn với các ứng dụng thực tế như xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Khắc phục điểm yếu chí mạng: Độ mỏi của Anode
Một trong những thách thức lớn nhất của pin thể rắn dùng cực anode bằng kim loại lithium là hiện tượng nứt vỡ hoặc hình thành các cấu trúc dạng sợi nhánh (dendrite) gây đoản mạch sau một số chu kỳ sạc/xả. Chất điện phân rắn, dù an toàn hơn, lại kém linh hoạt trong việc hấp thụ sự giãn nở và co lại của kim loại lithium trong quá trình hoạt động.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí uy tín Science vào ngày 18/4 vừa qua, một nhóm nhà khoa học từ Đại học Đồng Tế và Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung đã phát hiện ra nguyên nhân cốt lõi: sự thất bại cơ học này liên quan trực tiếp đến "độ mỏi chu kỳ" (cyclic fatigue) của chính cực anode kim loại lithium. Tương tự như việc một chiếc kẹp giấy bị bẻ cong liên tục sẽ yếu dần và gãy, cực anode lithium cũng bị "mỏi" và suy giảm độ bền dưới áp lực cơ học lặp đi lặp lại trong mỗi chu kỳ sạc/xả, dẫn đến nứt vỡ. Việc xác định được cơ chế vật lý rõ ràng này, theo các nhà khoa học pin của Mỹ Jagjit Nanda và Sergiy Kalnaus, là cực kỳ quan trọng, cung cấp cơ sở định lượng để dự đoán tuổi thọ pin và mở ra hướng thiết kế các cấu trúc anode hoặc lớp tiếp xúc bền vững hơn.
Giải bài toán chi phí: Chất điện phân rắn siêu rẻ
Bên cạnh độ bền, chi phí sản xuất cao, đặc biệt là chi phí của chất điện phân rắn gốc sulfide (vốn có hiệu suất cao nhưng giá thường trên 195 USD/kg, cần giảm xuống dưới 50 USD/kg để phổ biến), cũng là một trở ngại lớn. Trước đó, vào tháng 7 năm ngoái, một nhóm chuyên gia từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) đã công bố phát triển thành công một chất điện phân rắn gốc sulfide mới có tên Li₇P₃S₇.₅O₃.₅ (LPSO). Điểm đột phá của LPSO là nó được tổng hợp từ các hợp chất tiền chất giá rẻ, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng Lithium sulfide (Li₂S) cực kỳ đắt đỏ. Nhờ đó, chi phí nguyên vật liệu để sản xuất LPSO được ước tính chỉ còn khoảng 14,42 USD/kg, bằng chưa đến 8% so với các chất điện phân rắn gốc sulfide khác. Một bộ pin thử nghiệm sử dụng LPSO đã chứng minh khả năng hoạt động ổn định hơn 4.200 giờ ở nhiệt độ phòng.
Đẩy nhanh thương mại hóa
Những đột phá trong phòng thí nghiệm này đang được các viện nghiên cứu và doanh nghiệp Trung Quốc tích cực hợp tác để đưa vào ứng dụng thực tế. Mới đây, Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã ký thỏa thuận hợp tác chiến lược với gã khổng lồ xe điện và pin BYD, tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các lĩnh vực tiên tiến, trong đó có pin thể rắn. Sự hợp tác này được kỳ vọng sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa công nghệ pin thể rắn "made in China".
Với việc đồng thời giải quyết được hai nút thắt lớn về độ bền và chi phí, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang tạo ra những bước tiến quan trọng, đưa công nghệ pin thể rắn an toàn và hiệu quả hơn đến gần hơn với các ứng dụng thực tế như xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
