Mặc dù các nhà khoa học nghiên cứu về nhánh tinh thể (dendrite) bên trong pin lithium-ion từ lâu, nhưng các nhà nghiên cứu ở Singapore và một số trường đại học của Mỹ, như Viện công nghệ New Jersey (NJIT), phát hiện ra một số đặc tính cơ học quan trọng, góp phần vào sự hình thành và phát triển dendrite, mở ra hướng tìm cách ức chế sự phát triển này.
Các nhánh tinh thể lithium, mỏng hơn khoảng 100 lần so với một sợi tóc người, có thể hình thành bên trong pin trong quá trình sạc, phát triển từ cực dương, hay cực âm. Thông thường, lithium lẽ ra sẽ lan tỏa đều trên bề mặt của cực âm khi sạc, nhưng thay vào đó, nó có thể tích tụ thành các cấu trúc giống như gai, từ từ xuyên vào pin.
Bên trong pin, lớp màng mỏng ngăn cách giữa cực âm và cực dương có nguy cơ bị các dendrite xuyên thủng, bị hở. Sự tiếp xúc này có thể gây ra các vấn đề với pin như đoản mạch, quá nhiệt, thậm chí gây cháy nổ. Trong trường hợp ít nghiêm trọng hơn, các mảnh vỡ của dendrite lithium về cơ bản là rác, bị mắc kẹt trong pin mà không còn khả năng lưu trữ năng lượng nữa.
Các nhánh tinh thể (dendrite) lithium được nhìn nhận rộng rãi là một trong những trở ngại lớn nhất đối với việc thương mại hóa pin lithium-kim loại. Trong quá trình hoạt động của pin, các nhánh tinh thể lithium có thể hình thành, vỡ ra và bị cách ly về điện với cực dương lithium-kim loại, tạo ra cái gọi là “lithium chết”.
Quá trình này dẫn đến pin mất dần dung lượng theo thời gian. Ngoài ra, các nhánh tinh thể có thể xuyên qua lớp màng ngăn cách, gây ra đoản mạch bên trong giữa cực dương và cực âm. Cả nguy cơ mất dung lượng và đoản mạch liên quan đến nhánh tinh thể đều thường được quan sát thấy trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang tiến gần hơn một bước đến việc tìm ra cách ức chế sự phát triển dendrite. Các nhóm nghiên cứu từ Đại học Rice, Viện công nghệ Georgia, Đại học Houston, Đại học công nghệ Nanyang (Singapore) đã cẩn thận thu thập các nhánh tinh thể lithium từ các pin đang hoạt động để kiểm tra độ bền cơ học của chúng.
Họ đã xây dựng các không gian kín khí để nghiên cứu các nhánh tinh thể thu hoạch được, bởi vì lithium có tính phản ứng cao và biến đổi hóa học khi tiếp xúc với oxy, đồng thời sử dụng kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao để hiểu rõ hơn về hành vi của các dendrite này, gây rắc rối trong pin.
Điều mà nhiều người có thể không biết, là khi có đủ số lượng, lithium sẽ trở nên mềm dẻo, các nhà nghiên cứu cho rằng các nhánh tinh thể (dendrite) cũng sẽ có đặc tính vật lý tương tự. Tuy nhiên, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện thông qua các thí nghiệm, sự phát triển này lại có hành vi khác với những gì họ dự kiến.
Về cơ bản, sau khi hình thành các nhánh tinh thể này, lớp giao diện điện phân rắn (SEI) sẽ hình thành xung quanh chúng, lớp này biến các nhánh tinh thể thành gai nhọn cứng, có thể xuyên các thành phần của pin. Nhưng chúng có thể bị gãy dưới áp lực, và như đề cập trước đó, chúng trở thành các mảnh vụn lithium chết làm giảm công suất của pin.
Với hiểu biết mới này, các nhà nghiên cứu đang rất muốn tìm ra cách ngăn chặn lớp SEI làm gia tăng các nhánh dendrite, từ đó ức chế các gai nhọn này biến thành kẻ gây rối, có hại cho pin. Khám phá này cung cấp thêm hiểu biết về sự xâm nhập dendrite và sự hình thành lithium chết, cũng như hướng dẫn các chiến lược thiết kế pin lithium-kim loại.
Bài báo về nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science.
