Bước đột phá này đạt được nhờ các hiểu biết sâu sắc về chuyển động ở cấp độ nguyên tử của lithium bên trong vật liệu pin thể rắn, lithium phosphorus sulfur chloride (Li6PS5Cl), và cách thiết kế thế hệ pin tiếp theo. Sự tán xạ neutron là cần thiết trong việc thiết kế những loại pin này.

Lithium phosphorus sulfur chloride (Li6PS5Cl) là một loại vật liệu pin thể rắn, được gọi là hợp chất siêu ion. Nghiên cứu của nhóm nhằm tìm ra những gì diễn ra bên trong vật liệu này bằng cách sử dụng sức mạnh của tán xạ neutron và mô phỏng máy tính.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng neutron tại Spallation Neutron Source (SNS) ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của vật liệu này.

Nhóm nghiên cứu sử dụng neutron để nghiên cứu lithium vì neutron đặc biệt nhạy cảm với các nguyên tố nhẹ hơn như lithium, giúp cung cấp các thông tin quan trọng về vật liệu siêu ion trạng thái rắn.

Sử dụng các kỹ thuật quang phổ neutron tại SNS, bao gồm máy quang phổ cắt góc rộng (ARCS), máy quang phổ tán xạ ngược (BASIS), các nhà khoa học đã đo lường và mô hình hóa sự khuếch tán lithium, cho thấy khả năng di chuyển dễ dàng đáng ngạc nhiên của nó bên trong vật liệu rắn.

Các thí nghiệm này được kết hợp với các mô phỏng máy tính thực hiện tại Trung tâm máy tính khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia. Sự kết hợp giữa các phương pháp thực nghiệm và tính toán, cung cấp góc nhìn chi tiết ở cấp độ nguyên tử về cách các ion lithium hoạt động bên trong chất rắn.

Họ phát hiện ra các ion lithium di chuyển dễ dàng trong vật liệu rắn này, cũng như trong chất điện phân lỏng. Quan sát này rất quan trọng vì tính di động của ion là yếu tố cơ bản đối với hoạt động của pin.

Để sạc và xả diễn ra, các ion phải di chuyển tự do giữa các cực của pin. Sự dễ dàng mà lithium di chuyển trong vật liệu rắn này, cho thấy tiềm năng sạc nhanh hơn và an toàn hơn.

Những phát hiện này có thể dẫn đến sự ra đời chất điện phân thể rắn (SSE) thế hệ tiếp theo, kết hợp các lợi ích của cả chất điện phân rắn và lỏng.

Mặc dù SSE có các ưu điểm như mật độ năng lượng cao hơn, tăng độ an toàn và giảm khả năng cháy so với chất điện phân lỏng, nhưng chúng có hạn chế là tính di động của ion thấp hơn. Các ion cần di chuyển tự do để sạc và xả. Thông thường, chất điện phân lỏng hiệu quả hơn về mặt này.

Pin thể rắn hiện đang gây chú ý trong ngành lưu trữ năng lượng. Do chúng có tiềm năng cách mạng hóa một số ngành công nghiệp, từ xe điện đến thiết bị lưu trữ năng lượng, nên các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang tìm cách cải tiến những loại pin này.