Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Andlinger về Năng lượng và Môi trường thuộc Đại học Princeton vừa tìm ra một phương pháp mới để chế tạo pin thể rắn “không cực dương” (anode-free), giúp khắc phục những hạn chế của pin lithium-ion hiện tại.

Phát minh này không chỉ mở ra triển vọng kéo dài thời lượng pin cho điện thoại, máy tính xách tay mà còn có thể giúp xe điện di chuyển hơn 800 km chỉ với một lần sạc. Trong tương lai, công nghệ này thậm chí có thể cung cấp năng lượng cho ngành hàng không điện, theo thông cáo báo chí của nhóm nghiên cứu.

Hạn chế của pin lithium-ion và nhu cầu tìm kiếm giải pháp mới

Pin lithium-ion đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sạch. Từ các thiết bị điện tử nhỏ gọn đến hệ thống lưu trữ điện quy mô lưới, pin lithium-ion ngày càng trở nên phổ biến.

Tuy nhiên, với mật độ lưu trữ năng lượng hiện nay, nhu cầu sử dụng pin sẽ sớm vượt quá nguồn cung lithium, đòi hỏi sự phát triển của các giải pháp thay thế hiệu quả hơn.

Bên cạnh đó, pin lithium-ion cũng tồn tại nhiều hạn chế, trong đó có nguy cơ cháy nổ và hiện tượng quá nhiệt (thermal runaway). Để khắc phục, các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng chất điện phân thể rắn, giúp pin hoạt động ổn định hơn trong dải nhiệt độ rộng, đồng thời nâng cao tính an toàn và hiệu suất lưu trữ năng lượng.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu tại Đại học Princeton, trong khuôn khổ dự án “Nghiên cứu Cơ chế Hóa học của Chất dẫn Ion Thể rắn” (MUSIC) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, đang tìm cách cải tiến quy trình sản xuất để có thể thương mại hóa pin thể rắn (SSB) ở quy mô lớn.

Thiết kế pin không cực dương

Thông thường, một viên pin gồm hai điện cực: cực dương (cathode) và cực âm (anode), ngăn cách bởi chất điện phân. Mỗi điện cực được gắn với một lớp kim loại mỏng gọi là bộ thu dòng (current collector), có nhiệm vụ kết nối pin với mạch điện.

Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, ngay cả khi loại bỏ cực âm, các ion vẫn có thể di chuyển từ cực dương đến bộ thu dòng trong quá trình sạc và giúp pin hoạt động bình thường.

Điều này có nghĩa là việc chế tạo pin không cực dương có thể giúp giảm chi phí sản xuất, thu nhỏ kích thước pin và đơn giản hóa quy trình chế tạo. Tuy nhiên, để làm được điều này, cần đảm bảo sự tiếp xúc tốt giữa chất điện phân thể rắn và bộ thu dòng.

Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin

Dưới sự dẫn dắt của Phó giáo sư Kelsey Hatzell, nhóm nghiên cứu tại Princeton đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển của ion trong chất điện phân thể rắn, cũng như cách thức các ion này được lắng đọng lên bộ thu dòng.

Khi thử nghiệm việc áp dụng áp suất bên ngoài để cải thiện hiệu suất pin, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng áp suất thấp khiến các ion phân bố không đồng đều, tạo ra các điểm nóng và khoảng trống trên bộ thu dòng, dẫn đến sự hình thành các sợi kim loại nhỏ có thể gây đoản mạch.

Ngược lại, áp suất cao giúp ion phân bố đều hơn nhưng cũng làm tăng sự tiếp xúc giữa chất điện phân và bộ thu dòng, dễ gây nứt vỡ do các khiếm khuyết vật liệu bị phóng đại.

Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm việc phủ một lớp màng mỏng giữa bộ thu dòng và chất điện phân nhằm cải thiện hiệu suất lắng đọng ion. Sau nhiều thử nghiệm, họ phát hiện ra rằng các lớp màng làm từ carbon và hạt nano bạc mang lại kết quả tốt nhất.

Kích thước của các hạt nano bạc cũng đóng vai trò quan trọng. Khi sử dụng hạt nano bạc có kích thước 200 nanomet, chúng tạo ra các cấu trúc kim loại hình thoi trên bộ thu dòng, khiến pin nhanh hỏng sau nhiều chu kỳ sạc.

Trong khi đó, khi giảm kích thước hạt xuống còn 50 nanomet, lớp lắng đọng ion trở nên dày đặc và đồng đều hơn, giúp pin duy trì công suất cao hơn và kéo dài tuổi thọ.

“Chỉ có một số ít nhóm nghiên cứu tìm hiểu sâu về các quá trình diễn ra trong lớp màng trung gian này”, nhà nghiên cứu Se Hwan Park, thành viên phòng thí nghiệm của Hatzell, chia sẻ.

“Ngoài những phát hiện khác, chúng tôi đã chứng minh rằng tính ổn định của hệ thống pin có liên quan đến hình thái kim loại trong quá trình lắng đọng và tách khỏi bộ thu dòng”.

Phó giáo sư Hatzell cho biết: “Thách thức lớn nhất hiện nay là làm sao đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm ra thực tế trong vài năm tới. Hy vọng những nghiên cứu mà chúng tôi thực hiện tại MUSIC sẽ góp phần tạo nền tảng cho việc phát triển và triển khai các thế hệ pin tiên tiến ở quy mô lớn”.

An Nhiên (Theo Interesting Engineering)