Pin sạc nhanh, sử dụng thời gian dài là yêu cầu then chốt mở rộng thị trường xe điện, nhưng pin lithium-ion hiện nay không đáp ứng nhu cầu do quá nặng, đắt giá và mất quá nhiều thời gian sạc lại.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học cố gắng khai thác tiềm năng của pin lithium-kim loại ở trạng thái rắn, lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một thể tích và sạc lại với thời gian ngắn hơn nhiều so với pin lithium-ion truyền thống.

Xin Li, PGS khoa học vật liệu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) cho biết: “Pin kim loại lithium được coi là chén thánh cho các pin hóa học nhờ những đặc tính dung lượng và mật độ năng lượng cao. Nhược điểm lớn là độ bền vững, ổn định của những pin thể rắn không cao."

Từ nguyên nhân này, nhóm nghiên cứu của Li phát triển một thiết kế pin thể rắn mới, lithium-kim loại ổn định, có thể sạc và xả ít nhất 10.000 lần - nhiều chu kỳ hơn so với những loại pin trước đây với mật độ dòng điện cao.

Nhóm nhà khoa học ghép thiết kế mới với vật liệu cathode thương mại có mật độ năng lượng cao.

Công nghệ chế tạo pin mới có thể tăng tuổi thọ của xe điện (EV) lên tới 10 đến 15 năm không cần thay pin. Với mật độ dòng điện cao, pin có thể cho phép các loại xe điện sạc đầy trong vòng 10 đến 20 phút. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.

Phó giáo sư Xin Li và nhóm của ông đã thiết kế một loại pin kim loại lithium ổn định, có thể sạc và xả ít nhất 10.000 lần. Eliza Grinnell / Harvard SEAS

Công trình nghiên cứu cho thấy, pin thể rắn khác về cấu trúc cơ bản với pin lithium-ion điện phân lỏng thương mại. Nghiên cứu sâu nhiệt động lực học cơ bản của pin cho phép có được hiệu suất vượt trội và tiềm năng khai thác sử dụng lớn của pin."

Thách thức lớn với pin lithium-metal luôn là hóa học. Pin lithium di chuyển các ion lithium từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc. Khi cực dương được làm bằng kim loại liti, các cấu trúc giống như mũi kim, được gọi là đuôi gai hình thành trên bề mặt. Những cấu trúc này phát triển như rễ cây vào chất điện phân và xuyên qua rào cản ngăn cách giữa cực dương và cực âm, khiến pin bị chập, bốc cháy.

Để giải quyết trở ngại này, nhóm nghiên cứu của PGS Li thiết kế một loại pin nhiều lớp kẹp những vật liệu khác nhau với độ ổn định khác nhau giữa cực dương và cực âm. Loại pin đa lớp, đa vật liệu này ngăn chặn sự xâm nhập của các đuôi gai lithium không phải bằng cách ngăn chặn hoàn toàn mà kiểm soát và giữ lại.

 

Cấu trúc của pin tương tự như một chiếc bánh sandwich BLT. Trước hết là miếng bánh mì - cực dương kim loại liti - tiếp theo là rau diếp - một lớp phủ than chì, sau đó là lớp cà chua - chất điện phân đầu tiên, lớp thịt xông khói - chất điện phân thứ hai. Kết thúc là một lớp cà chua khác và miếng bánh mì cuối cùng - cực âm. Ảnh Lisa Burrows / Harvard SEAS

Chất điện ly đầu tiên (tên hóa học Li 5,5 PS 4,5 Cl 1,5 hoặc LPSCI) ổn định hơn với lithium nhưng dễ bị đuôi gai xâm nhập. Chất điện phân thứ hai, (Li 10 Ge 1 P 2 S 12 hoặc LGPS) kém ổn định với lithium nhưng miễn nhiễm với đuôi gai. Trong thiết kế này, đuôi gai được phép vượt qua than chì và chất điện phân thứ nhất nhưng bị dừng lại khi phát triển đến chất điện phân thứ hai. Theo tưởng tượng, đuôi gai phát triển xuyên qua rau diếp và cà chua nhưng dừng lại ở thịt xông khói. Rào cản thịt xông khói ngăn các đuôi gai đi qua và làm đoản mạch pin.

Theo Luhan Ye, đồng tác giả bài báo và nghiên cứu sinh tại SEAS, phương án chiến lược là kết hợp những vật chất không ổn định để ổn định pin, tương tự một con nở hướng dẫn và điều khiển con vít đi vào tường, thiết kế pin nhiều lớp để hướng dẫn và kiểm soát sự phát triển của đuôi gai, sự khác biệt là con nở nhanh chóng trở nên quá chặt để đuôi gai có thể khoan xuyên qua, do đó sự phát triển của đuôi gai bị dừng lại. Ngoài ra, tính chất hóa học của vật liệu cho phép lấp đầy các lỗ do những đuôi gai tạo ra.

Thiết kế mang tính thử nghiệm này cho thấy pin thể rắn kim loại lithium có thể cạnh tranh với pin lithium-ion thương mại. Nhờ tính linh hoạt và phổ quan của thiết kế nhiều lớp cho phép pin có khả năng tương thích với những quy trình sản xuất hàng loạt trong ngành pin. Pin thử nghiệm thành pin thương mại không dễ dàng và còn rất nhiều khó khăn, nhưng vấn đề khó khăn nhất đã được giải quyết”.