Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS) thuộc Đại học Harvard mới đây đã phát triển một loại pin thể rắn kim loại lithium mới có thể sạc và xả ít nhất 6.000 lần, tốt hơn hơn bất kỳ loại pin nào khác.
Kết quả nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên tạp chí học thuật nổi tiếng "Vật liệu thiên nhiên".
"Pin cực dương kim loại lithium được coi là chén thánh của pin vì chúng có công suất gấp 10 lần cực dương than chì thương mại và có thể tăng đáng kể phạm vi hoạt động của xe điện", Xin Li, phó giáo sư khoa học vật liệu tại SEAS và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết trong một tuyên bố.
Tuy nhiên, việc thiết kế những loại pin như vậy phải đối mặt với một thách thức rất lớn, đó là sự hình thành các sợi nhánh trên bề mặt cực dương. Những sợi nhánh này có thể phát triển về phía chất điện phân và xuyên qua dải phân cách, khiến pin bị đoản mạch hoặc thậm chí bốc cháy.
Sự hình thành đuôi gai xảy ra trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương và bám vào bề mặt cực dương thông qua quá trình gọi là mạ điện. Quá trình mạ điện này khiến bề mặt cực dương không bằng phẳng, tạo điều kiện cho sự hình thành dendrite. Trong quá trình phóng điện, kim loại lithium trên cực dương cần được loại bỏ, nhưng do bề mặt không bằng phẳng nên quá trình tước có thể rất chậm, hình thành các vết rỗ, càng làm trầm trọng thêm tình trạng lắng đọng không đều ở lần sạc tiếp theo.
Vào năm 2021, nhóm của Li Xin đã thiết kế một loại pin nhiều lớp với các vật liệu có độ ổn định khác nhau được kẹp giữa cực âm và cực dương. Thiết kế nhiều lớp, nhiều vật liệu này hoạt động bằng cách kiểm soát và hạn chế sự phát triển của sợi nhánh lithium, ngăn chúng xâm nhập vào thiết bị phân tách.
Trong nghiên cứu mới này, nhóm của Li Xin đã hạn chế thành công sự hình thành sợi nhánh bằng cách sử dụng các hạt silicon có kích thước micron ở cực dương. Những hạt silicon này có thể hạn chế phản ứng kết dính và thúc đẩy lớp mạ kim loại lithium đồng đều để tạo thành một lớp dày.
Trong thiết kế này, khi các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc, phản ứng kết dính bị giới hạn ở bề mặt nông và các ion bám vào bề mặt của các hạt silicon mà không thâm nhập sâu hơn. Điều này rất khác so với tính chất hóa học của pin lithium-ion thông thường, vốn xâm nhập vào các hạt silicon thông qua phản ứng liti hóa sâu mà cuối cùng dẫn đến sự phá hủy chúng.
Trong pin thể rắn, các ion lithium trên bề mặt hạt silicon bị giam giữ và trải qua quá trình quang hóa động, tạo thành lớp mạ kim loại lithium xung quanh lõi của hạt silicon. Các hạt mạ này tạo thành một bề mặt đồng nhất với mật độ dòng điện phân bố đều, ngăn chặn sự phát triển của dendrite. Nhóm nghiên cứu cho biết do quá trình mạ và tước có thể diễn ra nhanh chóng trên bề mặt phẳng nên pin có thể được sạc trong khoảng 10 phút.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại pin dạng túi có kích thước bằng tem bưu chính, có thể giữ lại 80% công suất sau 6.000 chu kỳ, hiệu suất vượt xa các công nghệ pin dạng túi khác hiện nay. Công nghệ này đã được Văn phòng Phát triển Khoa học và Công nghệ của Đại học Harvard cấp phép cho Adden Energy, công ty sẽ mở rộng quy mô công nghệ để chế tạo pin dạng túi có kích thước bằng điện thoại thông minh.
Kết quả nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên tạp chí học thuật nổi tiếng "Vật liệu thiên nhiên".
Tuy nhiên, việc thiết kế những loại pin như vậy phải đối mặt với một thách thức rất lớn, đó là sự hình thành các sợi nhánh trên bề mặt cực dương. Những sợi nhánh này có thể phát triển về phía chất điện phân và xuyên qua dải phân cách, khiến pin bị đoản mạch hoặc thậm chí bốc cháy.
Sự hình thành đuôi gai xảy ra trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương và bám vào bề mặt cực dương thông qua quá trình gọi là mạ điện. Quá trình mạ điện này khiến bề mặt cực dương không bằng phẳng, tạo điều kiện cho sự hình thành dendrite. Trong quá trình phóng điện, kim loại lithium trên cực dương cần được loại bỏ, nhưng do bề mặt không bằng phẳng nên quá trình tước có thể rất chậm, hình thành các vết rỗ, càng làm trầm trọng thêm tình trạng lắng đọng không đều ở lần sạc tiếp theo.
Vào năm 2021, nhóm của Li Xin đã thiết kế một loại pin nhiều lớp với các vật liệu có độ ổn định khác nhau được kẹp giữa cực âm và cực dương. Thiết kế nhiều lớp, nhiều vật liệu này hoạt động bằng cách kiểm soát và hạn chế sự phát triển của sợi nhánh lithium, ngăn chúng xâm nhập vào thiết bị phân tách.
Trong nghiên cứu mới này, nhóm của Li Xin đã hạn chế thành công sự hình thành sợi nhánh bằng cách sử dụng các hạt silicon có kích thước micron ở cực dương. Những hạt silicon này có thể hạn chế phản ứng kết dính và thúc đẩy lớp mạ kim loại lithium đồng đều để tạo thành một lớp dày.
Trong thiết kế này, khi các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc, phản ứng kết dính bị giới hạn ở bề mặt nông và các ion bám vào bề mặt của các hạt silicon mà không thâm nhập sâu hơn. Điều này rất khác so với tính chất hóa học của pin lithium-ion thông thường, vốn xâm nhập vào các hạt silicon thông qua phản ứng liti hóa sâu mà cuối cùng dẫn đến sự phá hủy chúng.
Trong pin thể rắn, các ion lithium trên bề mặt hạt silicon bị giam giữ và trải qua quá trình quang hóa động, tạo thành lớp mạ kim loại lithium xung quanh lõi của hạt silicon. Các hạt mạ này tạo thành một bề mặt đồng nhất với mật độ dòng điện phân bố đều, ngăn chặn sự phát triển của dendrite. Nhóm nghiên cứu cho biết do quá trình mạ và tước có thể diễn ra nhanh chóng trên bề mặt phẳng nên pin có thể được sạc trong khoảng 10 phút.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một loại pin dạng túi có kích thước bằng tem bưu chính, có thể giữ lại 80% công suất sau 6.000 chu kỳ, hiệu suất vượt xa các công nghệ pin dạng túi khác hiện nay. Công nghệ này đã được Văn phòng Phát triển Khoa học và Công nghệ của Đại học Harvard cấp phép cho Adden Energy, công ty sẽ mở rộng quy mô công nghệ để chế tạo pin dạng túi có kích thước bằng điện thoại thông minh.
