Một nhà nghiên cứu kéo căng vật liệu chất điện phân cao su. Ảnh Georgia Tech

Để xe điện (EV) trở thành phương tiện giao thông chủ đạo, cần loại pin hiệu quả về chi phí, an toàn hơn, tuổi thọ cao hơn trong quá trình sử dụng hoặc gây độc hại cho môi trường.

Các nhà khoa học phát hiện được, vật liệu cao su, khi tạo thành cấu trúc 3D, hoạt động như một siêu xa lộ vận chuyển ion lithium nhanh chóng với độ bền cơ học vượt trội, số lược chu kỳ sạc pin lớn hơn và EV có thể chạy được quãng đường xa hơn. Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc, được công bố trên Tạp chí Nature.

Trong pin lithium-ion thông thường, những ion di chuyển trong chất điện phân lỏng. Do đó cấu trúc pin không ổn định và một hư hỏng nhỏ có thể chất điện phân gây rò rir cháy nổ. An toàn cho xe điện khiến các ngành công nghiệp hướng pin thể rắn với chất điện phân được sản xuất bằng vật liệu gốm vô cơ hoặc polymer hữu cơ.

Ngành công nghiệp lưu trữ điện hướng tới chế tạo những chất điện phân trạng thái rắn. Nhưng vật liệu này khó chế tạo, đắt tiền và không thân thiện môi trường. Nhóm nghiên cứu do Seung Woo Lee, PGS Trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff dẫn đầu đã phát triển thành công một loại điện phân polymer hữu cơ trên cơ sở cao su tổng hợp có những điện tính vượt trội. Chất điện phân polymer thể rắn này có chi phí sản xuất thấp, không độc và mềm.

Những chất điện phân polymer - cao su tổng hợp thông thường không đủ độ dẫn ion và độ ổn định cơ học để pin thể rắn hoạt động tin cậy. Các kỹ sư của Georgia Tech đã giải quyết những nhược điểm của chất điện phân cao su bằng 1 sáng kiến đột phá, thiết kế vật liệu thành mạng pha tinh thể nhựa liên kết ba chiều (3D) trong ma trận cao su tổng hơp. Cấu trúc độc đáo này có độ dẫn ion cao, tính chất cơ học vượt trội và độ ổn định điện hóa.

Nhóm nghiên cứu chế tạo chất điện phân cao su này bằng phương pháp sử dụng quy trình polymer hóa đơn giản ở nhiệt độ thấp, hình thành các giao diện mịn và bền vững trên bề mặt các điện cực. Những đặc điểm độc đáo của chất điện phân cao su ngăn chặn sự phát triển các gai (dendrite) lithium, cho phép các ion di chuyển nhanh hơn, pin thể rắn hoạt động với độ tin cậy cao ở nhiệt độ phòng.

Do chất điện phân cao su có độ dẫn ion cao, làm tăng điện năng riêng và mật độ điện năng của pin thể rắn, cho phép xe điện chạy được quãng đường xa hơn trên cùng một khối lượng với pin thông thường. Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu nâng cao hiệu suất sử dụng pin, gia tăng số chu kỳ sả nạp trong vòng đời, giảm thời gian sạc bằng giải pháp tăng cường độ dẫn ion.

Công ty năng lượng và hóa dầu toàn cầu SK Innovation, tài trợ cho nghiên cứu bổ sung vật liệu điện phân trong quá trình hợp tác với Viện để chế tạo pin thể rắn thế hệ tiếp theo, có độ an toàn và mật độ năng lượng cao hơn so với pin Li-ion thông thường. SK Innovation gần đây công bố xây dựng một nhà máy pin EV mới ở Commerce, Georgia, dự kiến ​​sản xuất số lượng pin lithium-ion hàng năm tương đương 21,5 Gigawatt-giờ vào năm 2023.

"Pin thể rắn hoàn toàn có thể tăng đáng kể quãng đường đi được và độ an toàn của xe điện . Các công ty sản xuất pin đang phát triển nhanh, bao gồm SK Innovation, cho thấy thương mại hóa pin thể rắn sẽ trở thành nhân tố mang tính quyết định thúc đẩy thị trường xe điện". Kyounghwan Choi, giám đốc trung tâm nghiên cứu pin thế hệ tiếp theo của SK Innovation nói: "Sự hợp tác của SK Innovation và GS Seung Woo Lee của Georgia Tech trong phát triển dự án, pin thể rắn sẽ được đưa vào ứng dụng và thương mại hóa nhanh chóng, thúc đẩy sự tăng trưởng của thị trường EV."