Vòng đời của pin Li-ion bị giới hạn bởi độ ổn định hóa học

Lần đầu tiên, một nhóm các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thăm dò các tính chất cơ học của vật liệu điện phân rắn sunfua để xác định hiệu suất cơ học của vật liệu khi đưa vào pin.

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thăm dò các tính chất cơ học của vật liệu điện phân rắn sunfua để xác định hiệu suất cơ học của vật liệu khi đưa vào pin.

>> Chế tạo thành công pin lithium từ nước biển chi phí cực rẻ

>> Nghiên cứu mới về pin lưu huỳnh có thể làm thay đổi ngành năng lượng

Hầu hết mọi loại pin đều gồm hai lớp hoạt tính điện hóa rắn gọi là điện cực được ngăn cách bởi một màng polyme thấm chất điện phân lỏng hoặc dạng gel. Nhưng nghiên cứu gần đây đã khám phá ra triển vọng của tất cả các loại pin rắn, trong đó chất điện phân lỏng (và có thể dễ cháy) sẽ được thay thế bằng chất điện phân rắn, có thể tăng mật độ năng lượng và độ an toàn của pin. Các phát hiện mới đã được công bố trên Tạp chí Advanced Energy Materials.

Pin Lithium-ion (Li-ion)

Pin Lithium-ion (Li-ion) là giải pháp lưu trữ năng lượng trọng lượng nhẹ, cho phép nhiều thiết bị công nghệ cao hiện nay từ điện thoại thông minh đến ô tô điện hoạt động. Nhưng việc thay thế chất điện phân lỏng thông thường bằng chất điện phân rắn trong loại pin này có thể mang lại lợi ích to lớn. Pin Li-ion rắn cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng thậm chí cao hơn ở cấp độ bộ pin. Như vậy có thể xóa bỏ hoàn toàn nguy cơ các dendrit (sợi dẫn điện mỏng) phát triển qua lớp điện phân, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch.

Van Vliet, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng pin có các thành phần hoàn toàn rắn là lựa chọn hấp dẫn cho hiệu suất và độ an toàn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Trong pin Li-ion đang thống trị thị trường hiện nay, các ion lithium đi qua chất điện phân lỏng để di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác trong khi pin được sạc và sau đó, di chuyển theo hướng ngược lại khi pin được sử dụng. Các loại pin này rất hiệu quả, nhưng "các chất điện phân lỏng có xu hướng không ổn định về mặt hóa học và thậm chí có thể gây cháy. Vì vậy, nếu chất điện phân ở dạng rắn, sẽ an toàn cũng như gọn nhẹ hơn".

Vấn đề lớn liên quan đến việc sử dụng pin lithium hoàn toàn rắn là phải xác định những loại ứng suất cơ học nào có thể xuất hiện trong vật liệu điện phân khi các điện cực sạc và xả sạc nhiều lần. Chu trình này khiến cho các điện cực nở ra và co lại khi các ion lithium đi vào và đi ra khỏi cấu trúc tinh thể của chúng. Trong chất điện phân rắn, những thay đổi về kích thước có thể dẫn đến ứng suất cao. Nếu chất điện phân cũng giòn, thì sự thay đổi liên tục kích thước có thể gây ra các vết nứt nhanh chóng làm suy giảm hiệu suất pin và thậm chí có thể cung cấp các rãnh để dendrit gây hại hình thành như trong pin điện phân lỏng. Nhưng nếu vật liệu có khả năng chống nứt, thì ứng suất đó có thể được cung cấp mà không làm nứt nhanh.

Vòng đời của pin Li-ion

Dù đến nay, độ siêu nhạy của sunfua đối với không khí thông thường trong phòng thí nghiệm đã đặt ra thách thức đối với việc đo các tính chất cơ học bao gồm độ bền chống gãy. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm cơ học trong một bể dầu mỏ, bảo vệ mẫu khỏi bất kỳ tương tác hóa học nào với không khí hoặc hơi ẩm. Nhờ sử dụng kỹ thuật này, các nhà khoa học đã thu thập được các số đo chi tiết về tính chất cơ học của sunfua lithium dẫn điện, được coi là ứng cử viên triển vọng cho các chất điện trong pin hoàn toàn rắn.

Jeff Sakamoto tại trường Đại học Michigan cho rằng: "Vòng đời của pin Li-ion tiên tiến chủ yếu bị giới hạn bởi độ ổn định hóa học/điện hóa của chất điện phân lỏng và cách nó tương tác với các điện cực. Tuy nhiên, trong các loại pin rắn, sự suy giảm cơ học có thể sẽ chi phối độ ổn định hay độ bền. Do đó, việc tìm hiểu các tính chất cơ học của các chất điện phân rắn là rất quan trọng”.