Một bộ pin tốt cần hai tính năng quan trọng: mật độ năng lượng cao để cấp nguồn cho thiết bị và độ ổn định cao, cho phép sạc lại an toàn và đáng tin cậy hàng nghìn lần. Trong 30 năm qua, pin lithium-ion đã thống trị thị trường nhờ chứng tỏ hiệu suất cao trong lưu trữ năng lượng cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay và xe điện.

Nhưng các nhà nghiên cứu pin đã nhận thấy những giới hạn không thể vượt qua của lithium-ion. Khi các phương tiện hoạt động tầm xa và máy bay điện thế hệ tiếp theo bắt đầu xuất hiện trên thị trường, những nỗ lực tìm kiếm hệ thống pin an toàn, rẻ và mạnh hơn, nhưng phải hoạt động tốt hơn lithium-ion đang được tăng cường.

Trang SciTech Daily cho biết, một nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Georgia, Mỹ, do Matthew McDowell, PGS tại Trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff và Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu dẫn đầu đã sử dụng lá nhôm chế tạo ra pin có mật độ năng lượng và độ ổn định cao.

Kết quả nghiên cứu hệ thống pin mới của nhóm, được trình bày chi tiết trong một bài viết trên tạp chí Nature Communications, có thể giúp chế tạo một loại pin cực dương từ nhôm rẻ tiền, cho phép xe điện có phạm vi hoạt động rộng hơn pin lithium-ion thông thường trong một lần sạc, chi phí sản xuất thấp và có tác động tích cực đến môi trường.

Nghiên cứu sinh sau TS Yuhgene Liu đang cầm vật liệu nhôm cho pin thể rắn. Ảnh: Viện Công nghệ Georgia

PGS McDowell cho biết: “Chúng tôi luôn tìm kiếm loại pin có mật độ năng lượng cao hơn, cho phép xe điện chạy được quãng đường dài hơn sau mỗi lần sạc. Sẽ rất kinh tế khi chúng ta có thể sử dụng nhôm làm vật liệu cho pin vì kim loại này tiết kiệm chi phí, có khả năng tái chế cao và dễ sử dụng.”

Ý tưởng chế tạo pin bằng nhôm không phải là mới. Các nhà khoa học đã chế tạo và nghiên cứu tiềm năng của pin có cực dương bằng nhôm vào những năm 1970 nhưng pin hoạt động không.

Khi được sử dụng trong cấu trúc pin lithium-ion thông thường, nhôm bị gãy và hỏng sau một vài chu kỳ sạc-xả do sự giãn nở và co lại khi lithium di chuyển vào và ra khỏi vật liệu. Các nhà khoa học kết luận, nhôm không phải là vật liệu chế tạo pin khả thi và ý tưởng này đã bị bỏ qua.

Hiện nay đã xuất hiện công nghệ pin thể rắn. Pin lithium-ion thông thường chứa chất điện phân lỏng dễ cháy, có thể dẫn đến hỏa hoạn nhưng pin thể rắn chứa vật liệu điện phân rắn không bắt lửa, do đó có thể an toàn hơn khi sạc nhanh. Pin thể rắn cũng cho phép tích hợp những vật liệu hoạt tính hiệu suất cao mới, như được sử dụng trong nghiên cứu này.

Pin thể rắn được chế tạo trong phòng thí nghiệm của Matthew McDowell tại Georgia Tech. Ảnh: Viện Công nghệ Georgia

Dự án nghiên cứu bắt đầu với sự hợp tác giữa nhóm nhà khoa học Georgia Tech và Novelis, nhà sản xuất nhôm và tái chế nhôm lớn nhất thế giới, được thực hiện tại Trung tâm Đổi mới Novelis ở Georgia Tech.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy, nhôm sẽ mang lại lợi ích về lưu trữ năng lượng, tính kinh tế cao và tính dễ dàng trong sản xuất khi được sử dụng làm vật liệu cực dương của pin, phần tích điện âm của pin, lưu trữ lithium để cung cấp năng lượng khi xả, nhưng lá nhôm nguyên chất thường nhanh chóng bị hỏng khi thử nghiệm xạc – xả trong pin.

Các nhà khoa học quyết định thực hiện một phương thức tiếp cận khác. Không sử dụng nhôm nguyên chất để chế tạo các lá nhôm, các nhà khoa học thêm một lượng nhỏ vật liệu khác vào nhôm để tạo ra những lá nhôm có “cấu trúc vi mô” cụ thể với những cách sắp xếp các vật liệu khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hơn 100 loại vật liệu khác nhau để hiểu cách những loại vật liệu khác nhau sẽ hoạt động thế nào trong pin.

Nghiên cứu sinh sau TS Yuhgene Liu thuộc phòng thí nghiệm của PGS McDowell, tác giả thứ nhất của báo cáo khoa học cho biết: “Chúng tôi cần kết hợp một loại vật liệu, có thể giải quyết những nhược điểm cơ bản của nhôm khi chế tạo cực dương cho pin. Cực dương lá nhôm với vật liệu mới đã cho thấy hiệu suất và độ ổn định được tăng cường rõ rệt khi lắp đặt trong pin thể rắn, vượt trội hơn so với pin lithium-ion thông thường.”

Nhóm nghiên cứu nhận thấy, cực dương bằng nhôm có thể lưu trữ nhiều lithium hơn cực dương thông thường hiện nay nhờ đó có dung lượng cao hơn. Kết quả là nhóm nghiên cứu đã chế tạo được pin cực dương bằng nhôm thể rắn có mật độ năng lượng cao, có khả năng hoạt động hiệu quả hơn pin lithium-ion chất điện phân lỏng.

PGS McDowell giải thích: “Một trong những lợi ích của cực dương bằng nhôm mà chúng tôi rất phấn khích là vật liệu cho phép tăng cường hiệu suất nhưng rất tiết kiệm chi phí. Hơn thế nữa, khi sử dụng giấy bạc nhôm trực tiếp làm thành phần cực dương của pin, chúng tôi loại bỏ được rất nhiều bước trong quy trình sản xuất vật liệu pin.”

Máy bay điện cất cánh thẳng đứng tầm ngắn eVTOL được nhiều công ty khởi nghiệp hàng không phát triển, nhưng một trở ngại chính là pin. Pin lithium-ion hiện nay không đủ dung lượng để cung cấp năng lượng cho eVTOL bay trên quãng đường lớn hơn 150 dặm (hơn 240 km). Cần có các chất hóa học mới, cực dương bằng nhôm của nhóm McDowell mới có thể mở ra khả năng chế tạo các công nghệ pin mạnh hơn.

Ông Liu cho biết: “Thành công ban đầu của những cực dương lá nhôm này mang lại một hướng phát triển mới cho quá trình khám phá những vật liệu pin tiềm năng khác. Kết quả này mở ra một hướng nghiên cứu mới, xác định lại kiến trúc pin, tối ưu hóa khả năng lưu trữ năng lượng và giảm chi phí sản xuất”.

Nhóm nhà khoa học đang thí nghiệm tăng kích thước của pin để hiểu rõ, kích thước của pin ảnh hưởng thế nào đến hoạt động của các lá nhôm. Nhóm cũng đang tiến hành hàng loạt các thử nghiệm khác nhằm khám phá các vật liệu và cấu trúc vi mô khác để chế tạo cực dương từ những lá kim loại rẻ tiền cho hệ thống pin lithium-ion.

PGS McDowell nói: “Nghiên cứu lật lại một loại vật liệu được biết đến từ lâu, nhưng đã bị bỏ rơi trong quá trình phát triển pin. Với kiến thức mới kết hợp với công nghệ mới là pin thể rắn, chúng tôi đã tìm ra phương pháp giải quyết nhược điểm của nhôm và đạt được hiệu suất thực sự hứa hẹn.”