Một thách thức lớn trong quy trình chế tạo loại vật liệu này là tìm ra một phương pháp sản xuất vật liệu này mà không cần thiêu kết ở nhiệt độ cao. Trong một bài báo được công bố gần đây trên tạp chí Angewandte Chemie, một nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp không thiêu kết, cho phép tổng hợp ở nhiệt độ thấp loại gốm này ở dạng tinh thể dẫn điện với hiệu quả cao.

 Ảnh minh họa pin điện. Scitech Daily

Sự phát triển của pin xe điện

Hai yếu tố chi phối sự phát triển pin cho xe điện là: công suất của pin quyết định quãng đường đi được của xe trong một lần sạc và giá thành sản xuất. Những yếu tố này có ý nghĩa quan trọng trong cuộc cạnh tranh với các phương tiện động cơ đốt trong. Bộ Năng lượng Mỹ đặt mục tiêu đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ phương tiện chạy xăng dầu sang phương tiện chạy bằng điện và các mục tiêu đầy tham vọng là giảm chi phí sản xuất và tăng mật độ năng lượng của pin đến mức giá xe tương đương hoặc rẻ hơn xe chạy động cơ đốt trong vào năm 2030. Những mục tiêu này không thể đạt được bằng loại pin lithium-ion thông thường hiện nay.

Cam kết về tương lai xe điện của pin thể rắn

Một phương thức tiếp cận đầy hứa hẹn, cho phép tạo pin xe điện nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và an toàn hơn là sử dụng tế bào pin trạng thái rắn với cực dương làm bằng lithium kim loại chứ không phải than chì. Khác với pin lithium-ion thông thường có chất điện phân hữu cơ lỏng và sử dụng màng polymer để phân tách ngăn cực âm và cực dương, tất cả các thành phần của pin thể rắn đều là chất rắn.

Một lớp gốm mỏng đồng thời có chức năng như chất điện phân rắn và là vật liệu phân tách. Lớp gốm mỏng này hiệu quả trong khả năng chống lại cả tình trạng đoản mạch nguy hiểm do sự phát triển của sợi nhánh lithium và sự thoát nhiệt của pin. Hơn thế nữa, vật liệu không chứa chất lỏng dễ cháy.

Những thách thức với chất điện phân gốm

Chất điện phân và phân tách gốm phù hợp cho pin mật độ năng lượng cao là lithium oxit Li₇LaZr₂O_12−d (LLZO) loại garnet, khoáng chất tạo thành đá quý. Vật liệu này phải được thiêu kết cùng với cực âm ở nhiệt độ trên 1050°C để chuyển hợp chất LLZO thành pha tinh thể lập phương dẫn ion lithium nhanh, đủ để nén chặt và liên kết chắc chắn với điện cực.

Nhưng nhiệt độ trên 600°C sẽ làm mất tính ổn định của các vật liệu cực âm có hàm lượng coban thấp hoặc không có coban bền vững, làm tăng chi phí sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Cần phát triển những phương pháp sản xuất mới tiết kiệm và bền vững hơn.

Quy trình tổng hợp mang tính cách mạng

Nhóm nhà khoa học do Jennifer LM Rupp, nhà khoa học vật liệu và giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Munich, Đức, giáo sư thỉnh giảng tại Viện Công nghệ Massachusetts, Cambridge, Mỹ đã phát triển một quy trình tổng hợp mới. Quy trình mới của nhóm nghiên cứu không phát triển vật liệu trên hợp chất tiền chất gốm mà phát triên trên hợp chất lỏng, được cô đặc trực tiếp để tạo thành LLZO trong quá trình tổng hợp phân hủy tuần tự.

Nhằm tối ưu hóa các điều kiện cho lộ trình tổng hợp vật liệu, GS Rupp và nhóm của bà đã phân tích sự biến đổi pha nhiều bước của vật liệu LLZO từ dạng vô định hình sang dạng tinh thể cần thiết (cLLZO) bằng nhiều phương pháp khác nhau (quang phổ Raman, đo nhiệt lượng quét vi sai động) và xây dựng sơ đồ chuyển đổi nhiệt độ của vật liệu theo thời gian.

Trên nền tảng những hiểu biết sâu sắc, thu được trong quá trình kết tinh, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mang tính đột phá, thu được tinh thể cLLZO dưới dạng màng rắn, đặc sau 10 giờ ủ ở nhiệt độ tương đối thấp 500°C, không cần thiêu kết. Đối với các thiết kế pin trong tương lai, phương pháp này sẽ cho phép tích hợp chất điện phân LLZO rắn với cực âm bền vững, cho phép chế tạo các pin xe điện thể rắn và không cần sử dụng một nguyên tố vật liệu quý hiếm như coban, giảm đáng kể giá thành và tác động môi trường trong quá trình chế tạo pin thể răn lithium-ion.

Hơn thế, phương pháp tiếp cận này mở ra một hướng phát triển mới, cho phép chế tạo các loại pin thể rắn với vật liệu rẻ hơn lithium, hình thành một công nghệ đột phá mang tính cách mạng trong sản xuất pin xe điện.