Sở Khoa học và Công nghệ

https://skhcn.dongnai.gov.vn

Giải mã bí ẩn vật lý về “nhánh gai” gây cháy nổ và suy giảm tuổi thọ pin lithium-ion

Trong thế giới công nghệ hiện đại, pin lithium-ion là trái tim của mọi thiết bị từ điện thoại di động đến xe điện. Tuy nhiên, một trở ngại lớn bấy lâu nay vẫn thách thức các nhà khoa học là sự hình thành của các “nhánh gai” siêu nhỏ mang tên dendrite. Lần đầu tiên, một đội ngũ nghiên cứu quốc tế đã giải mã được bí mật cấu trúc lý giải tại sao những nhánh gai lại có sức tàn phá lớn đến vậy bên trong các cell bào pin.

Dendrite là những cấu trúc kim loại dạng kim, mỏng hơn sợi tóc người khoảng 100 lần, hình thành trong quá trình sạc pin. Thông thường, lithium sẽ trải đều trên bề mặt cực âm (anode). Tuy nhiên, trong một số điều kiện, chúng tích tụ thành những cấu trúc sắc nhọn mọc ra từ cực âm và dần dần xuyên qua lớp màng ngăn cách giữa các điện cực.
Khi những chiếc gai kích thước nano này chạm tới cực dương, chúng gây ra hiện tượng đoản mạch. Hệ quả nhẹ là làm hỏng pin nhưng trong những trường hợp cực đoan, nhiệt lượng và các phản ứng hóa học từ việc đoản mạch có thể khiến pin bốc cháy tự phát hoặc phát nổ. Ngay cả khi không gây cháy, các mảnh vụn dendrite bị gãy sẽ trở thành “lithium chết” – những mẩu lithium vô dụng mắc kẹt trong cell pin và không còn khả năng lưu trữ năng lượng, dẫn đến sự sụt giảm dung lượng pin theo thời gian.
Trước đây, các nhà khoa học luôn giả định rằng vì lithium ở dạng khối vốn dĩ mềm dẻo nên các dendrite cũng sẽ có tính chất vật lý tương tự như đất nặn. Tuy nhiên, thông qua các thí nghiệm mô phỏng và quan sát bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao, nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ New Jersey (NJIT), Đại học Rice và các đại học tại Singapore đã phát hiện một sự thật hoàn toàn khác.
Tiến sĩ Xing Liu từ NJIT cho biết, thay vì mềm dẻo, các dendrite này thực chất lại rất cứng và giòn, chúng có xu hướng bị gãy vụn giống như những sợi mì spaghetti khô khi chịu áp lực. Nguyên nhân nằm ở lớp liên pha điện phân rắn (SEI) hình thành bao quanh các nhánh gai nhỏ xíu này. Lớp vỏ SEI đóng vai trò như một bộ khung gia cường ở quy mô nano, biến những mầm lithium vốn mềm mại thành những “mũi dáo” cứng nhọn có khả năng đâm thủng các thành phần bên trong pin.
Phát hiện này có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với việc thương mại hóa pin lithium-kim loại – dạng pin được kỳ vọng có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với pin lithium-ion hiện tại. Hiểu được cơ chế vật lý đằng sau sự chuyển đổi từ mềm sang giòn của dendrite giúp các nhà khoa học tìm ra phương pháp ngăn chặn chúng.
Một trong những hướng đi triển vọng là sử dụng các cực âm hợp kim lithium để làm cho dendrite ít bị gãy giòn hơn, hoặc tìm cách ngăn chặn lớp SEI gia cường cho những nhánh gai này. Bằng cách kiểm soát được những kẻ phá hoại siêu nhỏ đó, ngành công nghiệp năng lượng có thể tạo ra những viên pin không chỉ bền bỉ hơn mà còn an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.

Tác giả: LH, (Đại học Rice)

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây