Giải pháp thiết kế phân tử cho chất điện phân có điểm bốc cháy cao và so sánh đặc tính tự cháy ở nhiệt độ phòng. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

Nhóm nghiên cứu hỗn hợp do TS Minah Lee thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng, GS Dong-Hwa Seo của KAIST và TS Yong-Jin Kim và Jayeon Baek thuộc Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH) phát triển một chất điện phân không tự cháy, không bắt lửa ở nhiệt độ phòng bằng phương pháp điều chỉnh cấu trúc phân tử của chất carbonat hữu cơ mạch thẳng có trong chất điện phân, ngăn nguy cơ cháy nổ và thoát nhiệt trong pin lithium-ion.

Tiến trình chuyển đổi năng lượng hóa thạch sang năng lượng mới khiến nhu cầu sử dụng pin lithium-ion có kích thước vừa và lớn trong xe điện (EV) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) ngày càng tăng, dẫn đến gia tăng nguy cơ cháy nổ của loại pin điện này.

Cháy pin thường diễn ra khi pin bị đoản mạch do tác động bên ngoài, xử lý không đúng kỹ thuật hoặc lão hóa, dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt mạnh mẽ trong pin. Đây là quá trình tỏa nhiệt mạnh kích hoạt những quá trình khác, hình thành quá trình gia tăng nhiệt độ không kiểm soát được. Tình trạng này khiến pin bị hỏng (cháy các cực pin) hoặc cháy nổ và tỏa nhiệt mạng, gây khó khăn cho dập lửa và có nguy cơ gây thương tích cho con người.

Đặc biệt, vật liệu carbonat hữu cơ tuyến tính, được sử dụng trong chất điện phân thương mại của pin lithium-ion có điểm bốc cháy thấp và dễ bắt lửa ngay cả ở nhiệt độ phòng .

Cho đến nay, để giảm tính dễ bốc cháy của chất điện phân, trong quá trình chế tạo đã sử dụng rộng rãi quy trình flo hóa mạnh (đưa flo vào) trong các phân tử dung môi hoặc muối đậm đặc. Quy trình này dẫn đến sự vận chuyển lithium-ion trong chất điện phân bị giảm, hạn chế khả năng thương mại.

Sử dụng phương pháp áp dụng đồng thời mở rộng chuỗi alkyl và thay thế alkoxy trong phân tử dietyl carbonat (DEC), một loại carbonat hữu cơ mạch thẳng, được sử dụng trong chất điện phân pin lithium-ion thương mại, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công một chất điện phân mới, được gọi là bis(2-methoxyetyl) carbonat (BMEC), với điểm bốc cháy cao hơn và độ dẫn ion được tăng cường, đồng thời làm giảm độ bay hơi của dung môi, tăng khả năng tương tác giữa các phân tử và khả năng hòa tan, đạt được chất điện phân cho pin có hiệu suất cao, ổn định nhiệt.

Chất điện phân mới BMEC có điểm bốc cháy là 121°C, cao hơn 90°C so với điểm bốc cháy của chất điện phân (DEC) thông thường, nhờ đó không thể bốc lửa trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của pin thông thường.

 

 Kết quả kiểm tra độ xuyên đinh (đoản mạch) của các tế bào pin 4Ah, sử dụng chất điện phân thông thường và chất điện phân mới. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

BMEC có thể phân tách muối lithium mạnh hơn so với chuỗi alkyl carbonat mạch dài (DBC) mở rộng trong chất điện phân nhằm giảm nguy cơ tự cháy ở nhiệt độ phòng, giải quyết vấn đề vận chuyển ion lithium chậm hơn khi giảm tính dễ cháy bằng phương pháp tăng tương tác giữa các phân tử.

Nghiên cứu cho thấy, chất điện phân mới giữ được 92% khả năng vận chuyển ion lithium ban đầu của chất điện phân thông thường, đồng thời giảm đáng kể nguy cơ hỏa hoạn. Ngoài ra, chất điện phân mới giảm 37% lượng khí dễ cháy bay hơi và 62% sinh nhiệt so với chất điện phân thông thường.

Nhóm nghiên cứu, bằng thực nghiệm đã chứng minh hoạt động ổn định của pin lithium-ion 1Ah trong hơn 500 chu kỳ sạc xả bằng phương thức sử dụng chất điện phân mới với cực âm niken cao và cực dương than chì. Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành kiểm tra khả năng xuyên đinh (đoản mạch) trên pin Li-ion 4Ah được sạc 70% và xác nhận, hiện tượng thoát nhiệt mạnh bị triệt tiêu. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường.

TS Minah Lee thuộc KIST cho biết: "Kết quả công trình nghiên cứu mở ra một hướng mới, cho phép thiết kế chất điện phân không bắt lửa mà với các biện pháp thông thường sẽ phải hy sinh tính điện hóa hoặc tính khả thi về kinh tế."

Chất điện phân của pin lithium-ion thương mại (DEC) và chất điện phân mới (BMEC) do nhóm nghiên cứu hỗn hợp từ KIST, KITECH và KAIST chế tạo khi thử nghiệm cháy. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc

"Chất điện phân chống cháy nổ được phát triển có khả năng cạnh tranh về chi phí và khả năng tương thích tuyệt vời với những vật liệu điện cực có mật độ năng lượng cao. Các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng, những tính chất lý hóa của chất điện phân mới sẽ được áp dụng cho quy trình sản xuất pin thông thường. Chất điện phân mới mở ra khả năng chế tạo pin hiệu suất cao với độ ổn định nhiệt đáng tin cậy. " TS Minah Lee nói thêm.

TS Jayeon Baek của KITECH nói: "Giải pháp BMEC được phát triển trong nghiên cứu này có thể được tổng hợp bằng phản ứng chuyển đổi hóa chức este, sử dụng chất xúc tác chi phí thấp và dễ dàng mở rộng công nghiêp. Trong tương lai, chúng tôi sẽ phát triển phương pháp tổng hợp sử dụng khí một carbon C1 (CO hoặc CO2) để tăng cường tính thân thiện với môi trường của chất điện phân hơn nữa."