Do mật độ năng lượng cao và vòng đời dài, pin lithium-ion được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, đặt biệt với xe điện. Nhưng loại pin này tồn tại một nhược điểm lớn, làm chậm quá trình điện khí hóa giao thông.

Pin Lithiun-ion thường xảy ra hiện tượng thoát nhiệt khi sạc xả nhiều lần gây lên tình trạng pin quá nóng. Nhiệt độ cao dẫn đến tình trạng phân hủy hóa học của chất điện phân, gây lên hỏa hoạn, cháy nổ. Tình trạng này thường xuất hiện khi sạc nhanh với công suất lớn, xả đến kiệt pin, lỗi sản xuất hoặc va chạm dẫn đến hư hỏng vật lý đối với pin.

Trang Kỹ thuật Thú vị đưa tin, trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học thuộc Đại học Maryland, Mỹ khi kiểm tra cơ chế hỏng hóc của pin lithium-ion đã phát minh một kỹ thuật mới, chế tạo pin lithium-ion thể rắn cho các thiết bị sử dụng điện, xe điện thế hệ tiếp theo, có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và ngăn chặn hiện tượng thoát nhiệt, tăng cường sự ổn định và an toàn cho pin.

Kỹ thuật mới ức chế sự phát triển đuôi gai lithium.

Trong pin lithium-ion, trong một số trường hợp, đặc biệt khi sạc nhanh công suất lớn sẽ hình thành các cấu trúc hình kim nhỏ, đuôi gai lithium. Những sợi kim loại lithium này là nguyên nhân gây ra hiện tượng thoát nhiệt, suy giảm nhanh chóng hiệu suất của pin, đoản mạch gây cháy nổ, một trong những nhược điểm chưa được khắc phục triệt để trong kỹ thuật chế tạo pin lithium-ion.

Phát minh mới đưa ra một ý tưởng kỹ thuật "lớp xen kẽ" pin mới, mở ra khả năng chế tạo pin thể rắn hoạt động ổn định, mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh do ngăn chặn sự phát triển của gai kim loại.

GS Chunsheng Wang thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử của trường đại học Maryland giải thích, tiến trình phát triển pin thể rắn và quá trình khắc phục những nhược điểm của loại pin thể rắn cần rất nhiều thời gian. Trong quá trình nghiên cứu nhóm nhà khoa học của GS Wang đã phát triển giải pháp ngăn chặn sự hình thành các gai lithiun, giúp pin an toàn và ổn định hơn. Kết quả này giúp nhanh chóng phát triển pin lithium-ion thể rắn cho xe điện và các thiết bị lưu trữ an toàn cho năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời.

Đặt mục tiêu tìm ra giải pháp cho pin lithium-ion thế hệ tiếp theo, năm 2021, GS Wang cùng với PTS Hongli Wan nghiên cứu phát triển lý thuyết kỹ thuật chế tạo pin ở trạng thái rắn, ngăn chặn sự hình thành và phát triển gai lithium.

Ông nói: “Sau khi phát triển lý thuyết và mô phỏng máy tính, chúng tôi có ý tưởng thiết kế những lớp xen kẽ để ngăn chặn sự phát triển của gai lithium”.

Phương thức tiếp cận độc đáo của các nhà khoa học là làm ổn định các bề mặt tiếp xúc của pin giữa chất điện phân rắn với cực dương, nơi các electron từ mạch điện đi vào pin và chất điện phân với cực âm, nơi điện năng ra khỏi pin. Cấu trúc pin mới bổ sung thêm lớp xen kẽ giàu flo giúp ổn định phía cực âm, tăng thêm lớp xen kẽ của cực dương bằng magie và bismuth nhằm triệt tiêu gai lithium.

Mật độ năng lượng cao và an toàn

“Pin thể rắn là thế hệ tiếp theo của pin lithium ion hiện nay vì có mật độ năng lượng cao và an toàn. Trong các loại pin hiện nay, nếu có được mật độ năng lượng cao, pin sẽ có độ an toàn và vòng đời thấp”, GS Wang nói.

Nhà sản xuất pin tiên tiến Solid Power đang có kế hoạch thử nghiệm công nghệ mới của nhóm nghiên cứu trường Đại học Maryland để xác định khả năng thương mại hóa công nghệ mới, đặt mục tiêu đưa pin thể rắn ra thị trường năm 2026.

Các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện nhằm giảm độ dày của lớp điện phân rắn đến mức độ phù hợp nhằm tối ưu hóa mật độ năng lượng của pin. Đồng thời các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu các giải pháp giảm chi phí vật liệu chế tạo các thành phần cơ bản của pin.