Các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS) của Harvard đã phát triển một loại pin kim loại lithium mới có thể sạc và xả ít nhất 6.000 lần – nhiều hơn bất kỳ loại pin khác trên thị trường- và có thể được sạc lại trong khoảng thời gian ngắn.
Pin kim loại lithium có thể cung cấp mật độ năng lượng tốt hơn và có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với công nghệ lithium-ion nhờ thay thế than chì nặng hơn bằng kim loại lithium làm cực dương. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất trong việc thiết kế các loại pin này là sự hình thành các sợi nhánh(dendrite) trên bề mặt cực dương, khiến pin nhanh chóng xuống cấp, chập mạch, thậm chí bốc cháy.
Các nhà nghiên cứu tại Harvard John A. Paulson SEAS đã phát triển một loại pin kim loại lithium mới có thể chịu được ít nhất 6.000 chu kỳ sạc và có thể sạc lại chỉ trong vài phút.
Nghiên cứu của họ không chỉ mô tả một phương pháp mới để chế tạo pin thể rắn với cực dương kim loại lithium mà còn mang lại hiểu biết mới về phản ứng bề mặt giữa lithium và các loại vật liệu ở cực dương trong các loại pin này.
Xin Li, Phó Giáo sư Khoa học Vật liệu tại SEAS và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Pin cực dương kim loại lithium được coi là đỉnh cao của pin vì chúng có công suất gấp 10 lần cực dương của loại than chì thương mại và có thể tăng đáng kể khoảng cách di chuyển của xe điện. Nghiên cứu của chúng tôi là một bước quan trọng việc thiết kế pin thể rắn thực tế hơn để phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp và thương mại.”
Vào năm 2021, Li và nhóm của ông đã đưa ra một cách để giải quyết vấn đề sợi nhánh(dendrite) bằng cách thiết kế một loại pin nhiều lớp kẹp giữa các vật liệu khác nhau có độ ổn định khác nhau giữa cực dương và cực âm. Thiết kế đa lớp, đa vật liệu này đã ngăn chặn sự xâm nhập của các sợi nhánh lithium bằng cách kiểm soát và phân cách.
Trong nghiên cứu mới, Li và nhóm của ông ngăn chặn sự hình thành của các sợi nhánh bằng cách sử dụng các hạt silicon có kích thước micron (siêu nhỏ) ở cực dương để hạn chế phản ứng kết dính và tạo điều kiện cho việc mạ đồng nhất một lớp kim loại lithium dày.
Trong thiết kế này, khi các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc, phản ứng kết dính bị hạn chế ở bề mặt nông và các ion bám vào bề mặt của hạt silicon nhưng không thâm nhập sâu hơn.
Ông Li cho biết: “Trong thiết kế của chúng tôi, lớp kim loại lithium được bao quanh các hạt silicon, giống như lớp vỏ sô cô la cứng bao quanh lõi hạt dẻ trong kẹo viên”.
Những hạt được phủ này tạo ra một bề mặt đồng nhất trên đó mật độ dòng điện được phân bố đều, ngăn chặn sự phát triển của các sợi nhánh. Và vì quá trình mạ và bóc vỏ có thể diễn ra nhanh chóng trên bề mặt bằng phẳng nên pin có thể sạc lại chỉ trong khoảng 10 phút.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một phiên bản pin dạng túi có kích thước bằng một miếng tem, lớn hơn từ 10 đến 20 lần so với pin đồng xu được sản xuất ở hầu hết các phòng thí nghiệm của trường đại học. Pin vẫn giữ được 80% công suất sau 6.000 chu kỳ sạc xả, vượt trội so với các loại pin dạng túi khác trên thị trường hiện nay, các nhà nghiên cứu đã báo cáo về Chu trình sạc xả nhanh của kim loại lithium trong pin thể rắn bằng vật liệu cực dương dễ kiểm soát được công bố trên tạp chí Nature Materials.
Công nghệ này đã được Văn phòng Phát triển Công nghệ Harvard cấp phép cho Adden Energy, một công ty con của Harvard do Li và ba cựu sinh viên Harvard đồng sáng lập. Công ty đã mở rộng quy mô công nghệ để chế tạo pin dạng túi có kích thước bằng điện thoại thông minh.
Li và nhóm của ông cũng mô tả các đặc tính cho phép silicon hạn chế sự khuếch tán của lithium để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình động học hướng tới việc mạ đồng nhất lithium dày. Sau đó, họ xác định mô bộ tiêu chuẩn thuộc tính để mô tả quá trình đó và tính toán nó cho tất cả các vật liệu vô cơ đã biết. Khi làm như vậy, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra hàng tá vật liệu khác có khả năng mang lại hiệu suất tương tự.
Li cho biết: “Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng các vật liệu khác, bao gồm cả bạc, có thể đóng vai trò là vật liệu dẫn tốt ở cực dương cho pin thể rắn. Nghiên cứu của chúng tôi giải thích một cơ chế cơ bản có thể có của quy trình và cung cấp một lộ trình để xác định các vật liệu mới cho việc thiết kế pin.”
Bài viết được dịch từ nguồn: https://www.pv-magazine.com/2024/01/15/new-solid-state-battery-charges-in-minutes-lasts-for-thousands-of-cycles/
