Ảnh: CC0 Public
Domain
Các nhà nghiên cứu từ Viện bách
khoa Rensselaer của Mỹ đã chứng minh cách họ có thể vượt qua được một thử
thách dai dẳng có tên là sợi nhánh để tạo ra một mẫu pin kim loại có hiệu năng
tương đương pin lithium-ion nhưng lại dựa trên kali – một nguyên tố phong phú và
rẻ hơn nhiều.
Về cơ bản, pin gồm 2 điện cực,
cực âm một đầu và cực dương đầu kia. Nếu nhìn vào cấu trúc bên trong của một
thỏi pin lithium-ion, chúng ta sẽ thấy cực âm thường là lithium-coban ôxít và
cực dương làm từ than chì. Trong quá trình nạp xả, các ion lithium chạy qua lại
giữa 2 điện cực.
Trong cơ cấu này, nếu các nhà
nghiên cứu đơn giản thay thế lithium-coban ôxít bằng kali-coban ôxít, hiệu năng
sẽ sụt giảm. Kali là nguyên tố lớn và nặng hơn và do đó, mật độ năng lượng sẽ
thấp hơn. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu tìm cách tăng hiệu năng của kali bằng các
đồng thời thay thế cực dương than chì bằng kim loại kali.
“Xét về hiệu năng, điều này cạnh
tranh với pin lithium-ion truyền thống”, tác giả dẫn đầu Nikhil Koratkar cho
biết.
Trong khi pin kim loại cho thấy
nhiều hứa hẹn lớn thì chúng cũng gặp phải vấn đề tích tụ kim loại được gọi là
sợi nhánh trên cực dương. Sợi nhánh hình thành do sự tích tụ các mảnh kim loại
kali không đồng dạng khi pin trải qua các chu kỳ nạp-xả. Theo thời gian, các
mảng tích tụ kim loại kali trở nên dài ra và gần như giống nhánh cây.
Nếu phát triển quá dài, chúng rốt
cuộc sẽ đâm xuyên màng cách để ngăn 2 điện cực tiếp xúc với nhau và làm đoản
mạch pin. Nhiệt được tạo ra khi một thỏi pin đoản mạch và có nguy cơ khiến chất
điện phân hữu cơ bên trong bắt lửa.
Một giải pháp mới vừa được đề
xuất có thể mở đường cho việc sử dụng thực tế. Bằng cách cho pin nạp và xả với
tốc độ tương đối cao, các nhà nghiên cứu có thể nâng nhiệt độ bên trong pin
một cách có kiểm soát và kích thích sợi nhánh tự làm liền cực dương.
Tuy nhiệt độ tăng bên trong pin
không làm tan chảy kim loại kali nhưng lại giúp kích hoạt sự khuếch tán bề mặt,
nhờ đó làm cho các nguyên tử kali di chuyển theo ngang để làm sập chồng sợi
nhánh, san phẳng hiệu quả các sợi nhánh.
Với hướng tiếp cận này, ý tưởng
là ban đêm hay bất cứ lúc nào pin không sử dụng, một hệ thống quản lý pin sẽ áp
nguồn nhiệt cục bộ để khiến sợi nhánh tự liền lại. Các nhà nghiên cứu trước
đây đã trình diễn một phương pháp tự liền tương tự bên trong kim loại nhưng họ
phát hiện ra rằng pin kim loại kali đòi hỏi rất ít nhiệt để hoàn thành quá trình
tự liền. Phát hiện đầy hứa hẹn này ám chỉ rằng pin kim loại kali có thể trở
nên an toàn, thực tế và hiệu quả hơn.
HA (TechXplore)