Pin thể rắn bền bỉ hơn sắp được ra mắt? Các nhà khoa học phát hiện ra những khiếm khuyết ở cấp độ nano làm hạn chế hiệu suất của pin

[NhatDuy]

Một rào cản vô hình bên trong pin thể rắn vừa được xác định rõ ràng và có thể đang âm thầm hạn chế sự phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ mới, vốn được đánh giá an toàn và hiệu quả hơn. Pin thể rắn được xem là ưu việt hơn pin lithium-ion theo nhiều cách, bao gồm điện áp cao, dung lượng lớn và độ an toàn cải thiện nhờ sử dụng chất điện phân rắn không rò rỉ hay gây cháy. Đây cũng là lý do chúng được kỳ vọng trở thành nền tảng cho xe điện và các hệ thống năng lượng cố định.

Tuy vậy, ngay cả loại pin tiên tiến này vẫn tồn tại nhược điểm quan trọng: điện tích không gian. Lớp điện tích này hình thành tại các giao diện bên trong, tạo thêm điện trở và cản trở quá trình sạc xả. Dù hiện tượng này đã được biết đến trong nhiều năm, các nhà khoa học trước đây chưa từng đo chính xác kích thước lớp điện tích và mức độ ảnh hưởng của nó trong điều kiện pin đang hoạt động.

Xâm nhập vào lớp điện tích vô hình ở cấp độ nano​

Nhóm nghiên cứu tại Viện Polymer Max Planck ở Đức phối hợp cùng các trường đại học Nhật Bản đã lần đầu tiên lập bản đồ chính xác vùng điện tích không gian bên trong pin thể rắn lithium-ion khi pin đang vận hành. Nhờ các kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến, họ đã đo được độ dày lớp điện tích và mức điện trở mà nó tạo ra.

Theo Rüdiger Berg, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, pin hoạt động như một máy bơm nơi các ion di chuyển trong cấu trúc bên trong còn electron chạy bên ngoài để cân bằng điện tích. Khi ion đi qua chất điện phân rắn, chúng có xu hướng tích tụ tại giao diện và tạo hiệu ứng đẩy lẫn nhau, tương tự sự ùn tắc tại một ngã tư.

Kết quả cho thấy hiện tượng này chủ yếu xuất hiện ở điện cực dương. Lớp điện tích tại đây chỉ dày dưới 50 nanomet, mỏng tương đương một lớp bong bóng xà phòng. Dù rất nhỏ, lớp điện tích này lại chiếm khoảng 7 phần trăm tổng điện trở của pin và có thể lớn hơn nếu dùng vật liệu khác.

Hai công nghệ mới giúp nhìn rõ bên trong pin thể rắn​

Trước đây, các phép đo về độ dày lớp điện tích cho kết quả không đồng nhất do mỗi phòng thí nghiệm sử dụng công cụ khác nhau và khó thực hiện khi pin đang hoạt động. Nhóm MPI P và các nhà khoa học Nhật Bản đã giải quyết vấn đề này bằng cách chế tạo pin màng mỏng và kết hợp hai kỹ thuật chưa từng được áp dụng trong nghiên cứu pin: kính hiển vi lực thăm dò Kelvin và phân tích phản ứng hạt nhân.

KPFM giúp quét mặt cắt ngang bằng đầu dò siêu nhỏ để theo dõi điện áp cục bộ theo thời gian thực, trong khi công nghệ NRA đo trực tiếp lượng lithium tích tụ tại giao diện cực âm. Taro Ichiki từ Đại học Tokyo cho biết hai công nghệ này đều là đột phá và có thể mở rộng sang các nghiên cứu khác.

Nghiên cứu không chỉ làm rõ cơ chế tồn tại trong pin thể rắn mà còn gợi mở hướng tối ưu hóa. Thay đổi vật liệu điện cực hoặc thiết kế cấu trúc có thể giúp giảm tích tụ điện tích và cải thiện khả năng sạc nhanh. Các kết quả đã được công bố trên tạp chí ACS Nano.