Một bước đột phá về kiến trúc
pin có thể dẫn tới các loại pin lithium có mật độ năng lượng cao hơn
nhiều so với pin được sử dụng ngày nay (Ảnh:
stillfx/Depositphotos)
Trong
một thỏi pin lithium thông thường, một chất điện phân lỏng đóng vai trò
là môi trường mà các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực âm và cực
dương khi pin nạp và xả. Có một vấn đề là chất lỏng này rất dễ bay
hơi và một lúc nào dó có thể khiến pin bắt lửa như pin của chiếc điện
thoại Galaxy Note 7 của Samsung trước đây.
Thay
thế chất điện phân lỏng này bằng một vật liệu rắn sẽ không chỉ làm
cho pin an toàn và ít có nguy cơ cháy nổ hơn mà nó còn mở ra nhiều
khả năng mới cho các thành phần quan trọng khác của pin. Cực dương của
pin lithium ngày nay được làm từ hỗn hợp của đồng và than chì nhưng
nếu được làm từ lithium tinh khiết thì nó có thể phá vỡ được nút
thắt cổ chai mật độ năng lượng của hóa học Li-ion
hiện tại.
Do đó,
tiềm năng lớn lao của một cực dương lithium tinh khiết khiến nó trở
thành một ưu tiên cao độ đối với các nhà nghiên cứu pin và một bước
đệm quan trọng trong việc giới thiệu một chất điện phân rắn khả thi để
giúp nó vận hành được. Nhưng cũng có những rào cản đáng kể với kết
cấu đó. Khi pin được sạc lại, các nguyên tử tích tụ bên trong kim loại
lithium khiến nó phồng to và giảm xuống trong quá trình sử dụng khiến
kim loại teo lại. Điều này làm cho sự tiếp xúc liên tục giữa các vật
liệu gần như là không thể và có thể dẫn tới nứt gãy chất điện phân.
Đây
là vấn đề mà kiến trúc pin mới của MIT có thể xử lý. Nó liên quan
đến sự kết hợp giữa các vật liệu rắn có tên chất dẫn ion-điện hỗn
hợp (MIEC) và chất cách electron và Li-ion (ELI). Chúng được tích hợp
sẵn vào một kiến trúc hình tổ ong 3 chiều với một hệ thống các ống
kích thước nano được làm từ MIEC hình thành nên mảnh ghép tối quan
trọng của bài toán.
Các
ống này được pha với kim loại lithium rắn để hình thành nên cực dương
của pin. Và vì có một khoảng không gian bổ sung bên trong mỗi ống nên
kim loại lithium có khoảng trống để phồng to và thu nhỏ trong quá
trình nạp và xả. Theo cách đó, vật liệu chuyển đổi nhẹ nhàng giữa
một vật liệu lỏng và rắn, di chuyển giống như một chất lỏng nhưng vẫn
duy trì cấu trúc tinh thể rắn trong suốt quá trình đó.
Tất
cả những thứ này đều diễn ra bên trong một cực dương cấu trúc tổ ong
với ELI phủ kín thành ống và đóng vai trò là một chất kết dính
giữa chúng và chất điện phân rắn. Điều này có nghĩa rằng khi pin sạc,
kích thước giao động của kim loại lithium hoàn toàn nằm trong cấu trúc
này và kích thước bên ngoài của nó không đổi.
Kết
quả là cực dương pin ổn định về mặt hóa học lẫn cơ học khi nó trải
qua quá trình nạp và xả trong khi lithium vẫn không bị mất tiếp xúc
điện với chất điện phân rắn. Nhóm nhận thấy đây là một tiến bộ đáng
kể trong các loại pin thể rắn thử nghiệm khác thường dựa trên một
dạng chất điện phân lỏng nào đó được phối trộn vào để giúp cơ cấu
hoạt động được.
“Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, nó thực sự rắn hoàn toàn. Không
có bất kỳ chất lỏng hay dạng gel nào bên trong nó”, Giáo sư khoa học
và kỹ thuật vật liệu tại MIT Ju Li cho biết.
Nhóm
đã tiến hành thử nghiệm kiến trúc pin thể rắn này và báo cáo rằng
nó có thể duy trì được 100 chu kỳ nạp-xả mà không có dấu hiệu nứt vỡ.
Trong tương lai xa hơn, công nghệ có thể tạo nên các cực dương cân nặng chỉ
bằng 1/4 hiện tại nhưng có cùng dung lượng. Kết hợp với các thiết kế
tân tiến khác cho cực âm, nhóm cho hay nó có thể dẫn tới các mẫu
smartphone có cùng trọng lượng và kích thước nhưng chỉ cần cần xạc 3
ngày một lần.
LH
(New Atlas)