Nỗ lực hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ và kỹ thuật vật liệu Ninh Ba (NIMTE) ở Trung Quốc và Đại học Chicago ở Hoa Kỳ, dẫn đến việc khám phá một phương pháp tiếp cận sáng tạo, cho phép phục hồi điện áp 100% trong pin cũ. Yếu tố quan trọng đối với thành tựu này là phát triển các vật liệu có đặc tính giãn nở nhiệt bằng 0.
Pin lithium-ion (LIB) thường được chọn là giải pháp lưu trữ năng lượng khi nhu cầu của thế giới ngày càng cao. Mặc dù công nghệ này đắt hơn so với các giải pháp lưu trữ năng lượng thông thường, nhưng với khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội và cung cấp điện nhanh chóng, khiến LIB trở thành lựa chọn lưu trữ năng lượng được ưa chuộng trên nhiều ứng dụng khác nhau, từ xe điện đến lưu trữ cấp lưới điện.
Pin lithium-ion có thể mang lại hiệu suất vượt trội nhờ phản ứng oxy hóa khử (OR) trong quá trình hoạt động của chúng. Trong phản ứng hóa học này, bản chất điện âm của oxy được sử dụng để truyền electron ở cực âm của pin. Phản ứng thuận nghịch này cho phép pin hoạt động trong khi tăng khả năng lưu trữ của pin lên tới 30%.
Mặc dù điều này có lợi, nhưng phản ứng OR cũng có nhược điểm nhất định. Đôi khi, các phản ứng không thể đảo ngược như mất oxy có thể xảy ra trong quá trình sạc, ảnh hưởng đến điện áp mà pin có thể đạt được. Mật độ năng lượng cao hơn cũng có thể dẫn đến biến dạng cấu trúc mạng, làm suy giảm điện áp và pin bị lão hóa. Điều này có thể do sự giãn nở nhiệt của vật liệu dùng trong pin, cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất và rút ngắn vòng đời của pin.
Các nhà nghiên cứu tại NIMTE đã phát hiện ra sự giãn nở nhiệt âm cực (NTE) trong vật liệu oxide cathode giàu lithium. Khi được nung nóng đến 150 - 250 độ C (302 - 482 Fahrenheit), các vật liệu này cho thấy sự co lại, một hành vi bất ngờ khi xét đến những gì chúng ta biết từ các định luật nhiệt động lực học. Các nhà nghiên cứu cho rằng, hành vi này là do nhiệt thúc đẩy.
Tuy nhiên, thay vì coi đây là một khiếm khuyết, họ biến nó thành một tham số có thể điều chỉnh, cung cấp thêm thông tin về mối quan hệ giữa hoạt động OR và hành vi NTE. Theo các nhà nghiên cứu, bằng cách điều chỉnh hoạt động OR có thể đảo ngược, hệ số giãn nở nhiệt có thể chuyển đổi chính xác giữa các trạng thái dương, bằng 0 và âm.
Sử dụng những hiểu biết của mình, các nhà nghiên cứu phát triển thành công cực âm không giãn nở nhiệt (ZTE) đầu tiên trên thế giới, bằng cách đảo ngược các phản ứng OR. Cực âm có thể ngăn ngừa sự giãn nở nhiệt, tăng cường tính toàn vẹn và độ bền của cấu trúc.
Bằng cách đưa vật liệu vào xung 4V, các nhà nghiên cứu tái tạo thành công cấu trúc mạng của pin, đạt gần 100% khả năng phục hồi điện áp. Điều này cho thấy, các hệ thống sạc thông minh có thể giúp phục hồi năng lượng của pin cũ trong xe điện, có khả năng tăng gấp đôi tuổi thọ của chúng. Các phát hiện của nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature.
