Pin lithium-kim loại thể rắn có thể sạc và xả ít nhất 10.000 lần

Nhóm nghiên cứu Đại học Harvard phát triển một thiết kế pin thể rắn mới, lithium-kim loại ổn định, có thể sạc và xả ít nhất 10.000 lần - nhiều chu kỳ hơn so với những loại pin trước đây với mật độ dòng điện cao.

Pin sạc nhanh, sử dụng thời gian dài là yêu cầu then chốt mở rộng thị trường xe điện, nhưng pin lithium-ion hiện nay không đáp ứng nhu cầu do quá nặng, đắt giá và mất quá nhiều thời gian sạc lại.

Vị trí của pin trong xe ô tô điện.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học cố gắng khai thác tiềm năng của pin lithium-kim loại ở trạng thái rắn, lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một thể tích và sạc lại với thời gian ngắn hơn nhiều so với pin lithium-ion truyền thống.

Nhóm nghiên cứu của PGS Xin Li, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển một thiết kế pin thể rắn mới, lithium-kim loại ổn định, có thể sạc và xả ít nhất 10.000 lần - nhiều chu kỳ hơn so với những loại pin trước đây với mật độ dòng điện cao.

Nhóm nhà khoa học ghép thiết kế mới với vật liệu cathode thương mại có mật độ năng lượng cao.

Công nghệ chế tạo pin mới có thể tăng tuổi thọ của xe điện (EV) lên tới 10 đến 15 năm không cần thay pin. Với mật độ dòng điện cao, pin có thể cho phép các loại xe điện sạc đầy trong vòng 10 đến 20 phút. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.

Thách thức lớn với pin lithium-metal luôn là hóa học. Pin lithium di chuyển các ion lithium từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc. Khi cực dương được làm bằng kim loại liti, các cấu trúc giống như mũi kim, được gọi là đuôi gai hình thành trên bề mặt. Những cấu trúc này phát triển như rễ cây vào chất điện phân và xuyên qua rào cản ngăn cách giữa cực dương và cực âm, khiến pin bị chập, bốc cháy.

Cấu trúc của pin tương tự như một chiếc bánh sandwich BLT. Trước hết là miếng bánh mì - cực dương kim loại liti - tiếp theo là rau diếp - một lớp phủ than chì, sau đó là lớp cà chua - chất điện phân đầu tiên, lớp thịt xông khói - chất điện phân thứ hai. Kết thúc là một lớp cà chua khác và miếng bánh mì cuối cùng - cực âm. Ảnh: Lisa Burrows / Harvard SEAS

Để giải quyết trở ngại này, nhóm nghiên cứu của PGS Li thiết kế một loại pin nhiều lớp kẹp những vật liệu khác nhau với độ ổn định khác nhau giữa cực dương và cực âm. Loại pin đa lớp, đa vật liệu này kiểm soát và giữ lại các đuôi gai lithium .

Chất điện ly đầu tiên (tên hóa học Li 5,5 PS 4,5 Cl 1,5 hoặc LPSCI) ổn định hơn với lithium nhưng dễ bị đuôi gai xâm nhập. Chất điện phân thứ hai, (Li 10 Ge 1 P 2 S 12 hoặc LGPS) kém ổn định với lithium nhưng miễn nhiễm với đuôi gai. Trong thiết kế này, đuôi gai được phép vượt qua than chì và chất điện phân thứ nhất nhưng bị dừng lại khi xuyên đến chất điện phân thứ hai.

Thiết kế mang tính thử nghiệm này cho thấy pin thể rắn kim loại lithium có thể cạnh tranh với pin lithium-ion thương mại. Nhờ tính linh hoạt và phổ quan của thiết kế nhiều lớp cho phép pin có khả năng tương thích với những quy trình sản xuất hàng loạt. Pin thử nghiệm thành pin thương mại không dễ dàng và còn rất nhiều khó khăn, nhưng vấn đề khó khăn nhất đã được giải quyết.

(Theo khoahocdoisong.vn)