Trong các loại pin lithium-ion thể rắn, chất điện phân lỏng thông thường giữa các điện cực thay thế bằng một lớp điện phân rắn. Pin thể rắn không chỉ cung cấp năng lượng gấp đôi so với kích thước mà loại bỏ nguy cơ cháy nổ của pin lithium-ion thông thường.

Nhưng có một trở ngại kìm hãm sự phát triển của pin thể rắn, đó là sự bất ổn ở ranh giới giữa lớp chất điện phân rắn và hai điện cực, khiến tuổi thọ của pin thể rắn rất ngắn. Một số nghiên cứu thử nghiệm sử dụng các lớp phủ đặc biệt nhằm tăng cường sự liên kết giữa các lớp, nhưng giải pháp này làm tăng chi phí và độ phức tạp các bước phủ bổ sung trong chế tạo.

Nhóm các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đưa ra một phương pháp, cho kết quả tương đương hoặc lớn hơn độ bền của các bề mặt điện cực được phủ mà không cần bất kỳ lớp phủ đặc biệt nào.

Đĩa kiểm tra pin điện phân rắn được sử dụng để thử nghiệm phương pháp xử lý của nhóm nghiên cứu với pin điện phân rắn. Ở bên trái, một mẫu chất điện phân rắn, một vật liệu được gọi là LLPO. Ảnh: Pjotrs Žguns

Phương pháp mới yêu cầu loại bỏ sạch carbon dioxide trong một công đoạn sản xuất quan trọng, được gọi là quá trình thiêu kết, khi các vật liệu pin được gia nhiệt để tạo ra liên kết giữa các lớp điện phân bằng các hợp chất gốm với cathode. Mặc dù lượng carbon dioxide hiện diện trong không khí rất nhỏ, tỷ lệ là phần triệu, nhưng tác động lại rất bất lợi. Thực hiện thiêu kết trong oxy tinh khiết sẽ tạo ra những liên kết đạt được hiệu suất bề mặt cao nhất mà không cần thêm chi phí sơn phủ.

Nghiên cứu sinh TS Younggyu Kim thuộc MIT, GS khoa học và kỹ thuật hạt nhân và khoa học kỹ thuật vật liệu Bilge Yildiz, Iradikanari Waluyo và Adrian Hunt thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đã báo cáo chi tiết phát hiện này trong một bài viết, được đăng trên tạp chí Advanced Energy Materials.

GS khoa học và kỹ thuật hạt nhân và khoa học kỹ thuật vật liệu Bilge Yildiz, nhà nghiên cứu chính cho biết, pin thể rắn bị cản trở khả năng thương mại hóa quy mô lớn bởi hai yếu tố: độ dẫn điện thấp hơn của chất điện phân rắn và giao diện không ổn định.

Vấn đề về độ dẫn điện thấp được giải quyết một cách hiệu quả với các vật liệu độ dẫn điện cao hợp lý được xác định. Nhưng khắc phục những bất ổn phát sinh ở giao diện n khó hơn nhiều do có thể xảy ra trong cả quá trình sản xuất và khai thác sử dụng pin sau này, hiện tại các nhà nghiên cứu tập trung vào quá trình thiêu kết trong sản xuất.

Quá trình thiêu kết có ý nghĩa quan trọng do nếu chỉ ép các lớp gốm lên nhau, tiếp xúc có quá nhiều khe hở và điện trở bề mặt rất cao. Quá trình thiêu kết, được thực hiện ở nhiệt độ 1.000 độ C hoặc cao hơn đối với vật liệu gốm khiến các nguyên tử từ vật liệu này di chuyển sang vật liệu kia để hình thành liên kết.

Các thí nghiệm đã chứng minh, ở nhiệt độ trên vài trăm độ, các phản ứng có hại xảy ra làm tăng điện trở bề mặt phân cách khi có carbon dioxide với lượng nhỏ nhất. Trong trường hợp không có carbon dioxide, đặc biệt là môi trường oxy tinh khiết trong thiêu kết có thể tạo ra liên kết rất tốt ở nhiệt độ đến 700 độ và không có hợp chất bất lợi nào hình thành. Bằng cách này sẽ loại bỏ việc bổ sung lớp phủ, có chi phí cao và phức tạp.

Khả năng tăng mật độ năng lượng mà pin thể rắn do trong cấu trúc cho phép sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm điện cực, nhẹ hơn nhiều so với điện cực làm bằng graphite tẩm lithium. Ngoài ra, quy trình sản xuất pin thể rắn rất đơn giản, giảm các chi phí bổ sung đồng thời tăng tuổi thọ của pin do không có thêm các vật liệu phủ. Những lợi thế này cho phép giá thành của pin thể rắn phù hợp với khả năng của người dùng.

Các công ty lớn như Toyota đã và đang thương mại hóa phiên bản đầu tiên của pin lithium-ion thể rắn, phát hiện mới này có thể các công ty tăng cường hiệu quả kinh tế và độ bền của sản phẩm.