Số lượng xe điện (EV) đăng ký mới ở Hàn Quốc trong năm 2021 vượt qua con số 100.000 chiếc. Na Uy cũng là quốc gia duy nhất đạt được con số như vậy.

Vật liệu cốt lõi quyết định tuổi thọ pin và tốc độ sạc của xe điện hiện nay thường thấy là vật liệu cho cực dương. Ngành công nghiệp pin nội địa Hàn Quốc đã cam kết tìm ra những phương thức mang tính cách mạng để tăng dung lượng pin, đưa ra những công nghệ pin mới hoặc các vật liệu anode khác. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu loại bỏ hoàn toàn các vật liệu anốt?

 Sơ đồ nguyên lý giữa pin lithium – ion có cực dương anode và không cực dương. Ảnh POSTECH

Nhóm nghiên cứu POSTECH do GS Soojin Park và nghiên cứu sinh TS Sungjin Cho (Khoa Hóa học) phối hợp với GS Dong-Hwa Seo và TS Dong Yeon Kim (Trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học) tại Viện Khoa học và Công nghệ Ulsan (UNIST) phát triển một pin lithium không có anốt với hiệu suất thời lượng sử dụng pin dài hơn trong một lần sạc.

Loại pin không có cực dương mới được phát triển có mật độ năng lượng/thể tích là 977 Wh /L, cao hơn 40% so với các loại pin thông thường (700 Wh / L). Kết quả này có nghĩa là pin có thể chạy được 630 km trong một lần sạc.

Pin thường thay đổi cấu trúc của vật liệu anốt khi các ion lithium chảy đến và đi từ điện cực trong quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại. Đây cũng là nguyên nhân vì sao dung lượng pin giảm dần theo thời gian.

Các nhà khoa học cho rằng, nếu có thể sạc và xả chỉ với một bộ thu dòng điện cực dương trần không có vật liệu cực dương thì mật độ năng lượng - yếu tố quyết định dung lượng pin sẽ tăng lên.

Nhưng phương pháp này có một điểm yếu nghiêm trọng là gây phồng đáng kể thể tích cực dương và làm giảm vòng đời của pin. Thể tích cực dương phồng lên vì không có nơi lưu trữ ổn định cho lithium trong cực dương.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu thành công trong việc phát triển pin không có cực dương trong chất điện phân lỏng trên cơ sở cacbonat thường được sử dụng bằng cách thêm một chất nền dẫn điện ion. Chất nền không chỉ tạo thành một lớp bảo vệ anode mà còn giảm thiểu đến mức tối thiểu sự giãn nở của cực dương.

Các nhà khoa học Hàn Quốc phủ lớp dẫn ion lên bộ thu dòng điện bằng đồng. Ảnh POSTECH.

Các nhà khoa học đã chế tạo một điện cực bằng cách phủ một lớp dẫn ion bao gồm polyme polyetylenimine, bạc, muối liti và muội than lên bề mặt của bộ thu dòng điện bằng đồng. Chất nền dẫn điện ion được chế tạo theo phương pháp này có thể vận hành pin, nhận và giải phóng các ion lithium hiệu quả trong quá trình sạc và xả.

Thử nghiệm cho thấy pin duy trì dung lượng cao 4,2 mAh/cm2, mật độ dòng điện cao 2,1 mA/cm2 trong thời gian dài trong chất điện phân lỏng trên cơ sở cacbonat. Các nhà khoa học cũng chứng minh được cả trên lý thuyết và trong các thí nghiệm, chất nền có thể lưu trữ lithium.

Một đặc điểm thu hút sự quan tâm của giới khoa học là nhóm nghiên cứu đã chứng minh thành công sử dụng các bán tế bào pin (half-cells) trạng thái rắn (solid- state) bằng phương pháp sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua trên cơ sở khoáng chất Argyrodite. Các nhà khoa học dự đoán rằng, loại pin có thiết kế này sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin không nổ do khả năng duy trì dung lượng cao trong thời gian dài hơn.

Nghiên cứu của các nhà khoa học được công bố trên tạp chí Vật liệu Chức năng Nâng cao.