Được phát minh vào những năm 1970, pin lithium-ion (LIB) trở thành nền tảng cơ bản của xã hội hiện đại, cung cấp năng lượng cho mọi trang thiết bị, từ thiết bị điện tử cầm tay cá nhân đến vệ tinh không gian.

Công nghệ LIB tạo ra một tác động lớn trong định hình thế giới, vì công lao này, các nhà phát minh của LIB John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino nhận được giải Nobel Hóa học năm 2019.

Các công nghệ mới phát triển trên cơ sở pin LIB như xe điện và lưu trữ năng lượng trên quy mô lưới điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, đặt mục tiêu giảm sự phụ thuộc của xã hội vào nhiên liệu hóa thạch và chống biến đổi khí hậu.

Những ứng dụng này đều yêu cầu pin có mật độ năng lượng cao hơn, tốc độ sạc và xả nhanh hơn.

Năng lượng và mật độ điện năng của LIB thông thường, sử dụng điện cực phẳng thường có mối tương quan với nhau. Điều này có nghĩa là đối với một diện tích điện cực nhất định, tăng khối lượng điện cực sẽ làm tăng mật độ năng lượng, nhưng kết quả ngược lại là độ dày điện cực tăng lên sẽ làm giảm mật độ năng lượng do các ion và electron phải di chuyển trên khoảng cách xa.

Nếu mối quan hệ này có thể được tách rời, thì mật độ năng lượng và công suất của các điện cực LIB có thể đồng thời được cải thiện.  Có thể nhận thấy, thiết kế cấu trúc 3D của vật liệu điện cực cho phép tạo ra những điện cực dày từ các thành phần vi mô và nano, làm tăng hiệu quả tải lượng của điện cực nhưng không gặp các vấn đề liên quan đến khoảng cách vận chuyển ion và electrone dài hơn.

 Kiến trúc mạng của pin Li-ion cho phép tăng khối lượng điện cực và giảm khoảng cách di chuyển của điện tích.

Kỹ thuật sản xuất phụ phẩm là lộ trình đầy hứa hẹn, cho phép chế tạo các loại điện cực kiến trúc 3D này và được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây. Nhưng hầu hết mọi thử nghiệm quy trình sản xuất phụ phẩm này đều xoay quanh việc in 3D ép đùn mực hạt nano, bị hạn chế về các điều kiện sản xuất và cấu trúc hình học có thể đạt được.

 Một điện cực thử nghiệm được in 3D.

Các nhà khoa học phát hiện được, kỹ thuật quang phân tử Vat cung cấp các điều kiện sản xuất tốt hơn và có thể sản xuất được các cấu trúc hình học phức tạp hơn nhưng gặp khó khăn trong chế tạo vật liệu điện cực phi polyme.

Trong hai bài báo, đăng trên tạp chí Vật liệu Năng lượng Tiên tiến và Công nghệ Vật liệu Tiên tiến, nhóm nhà khoa học do Giáo sư Julia R. Greer thuộc Viện Công nghệ California (Caltech) lãnh đạo phát triển hai phương pháp dễ dàng chế tạo các cấu trúc oxit cacbon và liti coban bằng giải pháp in xử lý ánh sáng kỹ thuật số, chứng minh được những vật liệu này có thể sử dụng làm cực dương 3D LIB và cực âm tương ứng.

Trọng tâm của cả hai phương pháp này là các phương pháp xử lý sau gia nhiệt, chuyển đổi polyme in 3D thành vật liệu điện cực mong muốn. Kai Narita, một nghiên cứu sinh thuộc nhóm nghiên cứu Greer, tác giả chính của bài viết trên Tạp chí Advanced Energy Materials, giải thích: “Quá trình nhiệt phân polyme dẫn đến sự hình thành carbon.

 “Phương pháp tiếp cận của chúng tôi là khai thác hiện tượng này để chế tạo vật liệu carbon 3D. Chúng tôi chỉ đơn giản sử dụng một loại photoresin có sẵn trên thị trường, thông qua quá trình in xử lý ánh sáng kỹ thuật số tạo ra các cấu trúc polyme 3D, sau đó nhiệt phân ở nhiệt độ 1000 ° C để chuyển đổi thành carbon. ”

Các nhà khoa học chứng minh được, các vật liệu carbon 3D này có thể hoạt động như cực dương trong LIB, có hiệu suất và độ ổn định tuyệt vời, đồng thời chứng minh được khoảng cách vận chuyển trong điện cực ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất tốc độ.

Để tạo ra vật liệu cathode như trong bài viết, đăng trên tạp chí Advanced Materials Technologies, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống mực in polymer mới để in 3D, sau khi xử lý nhiệt sẽ chuyển đổi thành lithium coban oxit.

Giải pháp đốt cháy tổng hợp dung dịch là một kỹ thuật hóa học vật liệu phổ biến nhằm tạo ra những oxit kim loại thông qua quá trình đốt cháy nitrat kim loại.

Nhóm nghiên cứu kết hợp kỹ thuật này với quá trình in xử lý ánh sáng kỹ thuật số, thiết kế một hệ thống hydrogel có thể in 3D, có chứa nitrat kim loại hòa tan. Xử lý nhiệt các hydrogel này sẽ xuất hiện phản ứng đốt cháy, tạo ra các cấu trúc oxit kim loại.

Kết hợp nitrat liti và nitrat coban vào hydrogel để in 3D, những thành phần vật liệu này được nung trong không khí ở nhiệt độ 700oC, tạo thành cấu trúc oxit liti coban.

Những vật liệu này có tính điện hóa cao, có thể hoạt động như cực âm 3D trong pin LIB. Công trình nghiên cứu cũng xác định được tác động của thành phần polyme đối với cấu trúc vi mô cuối cùng và thành phần hóa học của oxit côban liti sau khi xử lý nhiệt (nung nóng).

Công trình nghiên cứu này cho thấy, hiện nay quá trình quang hóa vật liệu, được sử dụng trong pin mà có thể đạt được dễ dàng, sử dụng các thuốc thử hóa học bán sẵn trên thị trường và những phương pháp xử lý nhiệt đơn giản.

Trong tương lai, nhóm nhà khoa học sử dụng những kỹ thuật này để nghiên cứu các vấn đề cơ bản về kiến trúc điện cực, như cấu trúc liên kết và tỷ trọng tương đối

Những kiến thức đó sau đó có thể được sử dụng để thiết kế cực dương, cực âm và chất điện phân rắn 3D tốt hơn, có thể kết hợp với nhau tạo ra các thành phần của LIB trạng thái rắn 3D hoàn toàn với hiệu suất cao.

 Sơ đồ đơn giản pin Li-ion in 3D.

 “ Chế tạo ra điện cực in 3D với toàn quyền kiểm soát thiết kế kiến trúc, kích thước và vật liệu, cho phép tiến gần hơn đến một phương pháp chế tạo pin thể rắn, có thể sản xuất đại trà với độ tin cậy cao.” Giáo sư Greer cho biết: “pin sẽ an toàn, bền vững về cơ học và hiệu quả cao.”

Giáo sư Greer tuyên bố, những kỹ thuật này có thể được nghiên cứu để tạo ra những kiến trúc của các hệ thống khác, yêu cầu vật liệu chức năng, ứng dụng tiềm năng trong xúc tác, kích hoạt và quang tử.