Khi thị trường xe điện và lưu trữ năng lượng quy mô lớn ngày càng mở rộng, ngành công nghiệp pin đối mặt với vấn đề cấp bách: phát triển các loại pin lưu trữ nhiều năng lượng hơn nhưng vẫn đảm bảo an toàn. Cực dương than chì thông thường, hiện đang sử dụng rộng rãi, lại có hạn chế về dung lượng.

Trong khi đó, cực dương lithium kim loại, về lý thuyết có dung lượng cực cao, nhưng chúng dễ hình thành các nhánh sắc nhọn (dendrite), trong quá trình sạc lặp đi lặp lại, có thể xuyên thủng lớp ngăn cách bên trong pin, gây đoản mạch, dẫn đến cháy nổ. Điều này khiến việc phát triển công nghệ cực dương thế hệ tiếp theo trở nên cần thiết.

Nhóm nghiên cứu tại POSTECH, do Giáo sư Won Bae Kim chủ trì, phát triển hệ thống “pin trong mơ”, sử dụng từ trường bên ngoài để điều chỉnh sự vận chuyển ion lithium, cung cấp giải pháp kỹ thuật cho cả vấn đề phạm vi hoạt động xe điện và mối lo ngại về an toàn vốn có trong pin xe điện hiện nay. phát triển hệ thống “pin trong mơ”

Bước tiến này tập trung vào việc giải quyết sự hình thành các dendrite, giúp ngăn chặn nguy cơ cháy nổ thường gặp ở pin lithium. Nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề bằng cách tạo ra lớp lithium kim loại lắng đọng, mịn, dày đặc, duy trì ổn định trong hàng trăm chu kỳ. Lớp ổn định này là kết quả của việc áp dụng từ trường cụ thể vào cực dương loại chuyển đổi mangan ferrite từ tính.

Ý tưởng khá đơn giản. Nếu nam châm có thể sắp xếp các mạt sắt, tại sao không sử dụng nó để sắp xếp dòng ion lithium? Khi lithium được đưa vào cực dương mangan ferrite, nó tạo ra các hạt nano kim loại từ tính. Dưới tác dụng của từ trường bên ngoài, các hạt nano này tự sắp xếp như những nam châm nhỏ bên trong điện cực.

Sự sắp xếp này, được hỗ trợ bởi lực Lorentz - lực tác dụng lên các hạt mang điện di chuyển trong từ trường - giúp phân tán các ion lithium đồng đều hơn trên bề mặt, ngăn các ion lithium tập trung thành các cụm cụ thể. Kết quả là, thay vì hình thành các dendrite nguy hiểm, cực dương phát triển một lớp lắng đọng lithium kim loại, mịn, dày đặc và đồng nhất.

Ngoài ra, cực dương hoạt động như hệ thống lai, lưu trữ lithium cả bên trong ma trận oxit và dưới dạng lithium kim loại được lắng đọng trên bề mặt. Cơ chế kép này cho phép dung lượng lưu trữ năng lượng cao hơn khoảng 4 lần so với cực dương than chì thương mại, đồng thời duy trì chu kỳ sạc-xả ổn định mà không hình thành các dendrite.

Đáng chú ý, pin duy trì hiệu suất Coulomb trên 99% trong hơn 300 chu kỳ, chứng tỏ độ ổn định lâu dài ấn tượng. Các nhà nghiên cứu xác nhận, lớp lithium đồng nhất tạo ra bởi từ trường vẫn giữ mật độ dày đặc ngay cả sau khi sử dụng nhiều lần, ngăn ngừa sự xuống cấp thường làm giảm tuổi thọ của pin dung lượng cao.

Giáo sư Won Bae Kim lưu ý, phương pháp này giải quyết hai thách thức lớn của cực dương lithium kim loại, đó là sự không ổn định cấu trúc và sự hình thành dendrite. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng khám phá này sẽ là nền tảng kỹ thuật để tăng tốc độ sạc và tuổi thọ của pin dành cho ngành ô tô và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Nó cho thấy một hướng đi mới hướng tới pin lithium kim loại an toàn hơn, đáng tin cậy hơn. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng công nghệ này sẽ đóng vai trò là nền tảng để cải thiện dung lượng, tuổi thọ và tốc độ sạc trong các loại pin thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí năng lượng Energy & Environmental Science.