Khác với pin lithium-ion thông thường, sử dụng chất điện phân dạng lỏng dễ cháy, pin thể rắn sử dụng chất điện phân từ vật liệu rắn để di chuyển các ion giữa các điện cực. Thiết kế này làm cho pin an toàn hơn, ổn định hơn, giảm nguy cơ quá nhiệt hay cháy nổ.
Pin thể rắn có thể cung cấp năng lượng an toàn hơn, hiệu suất cao hơn so với pin lithium-ion đang sử dụng hiện nay. Nhưng qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học vẫn phải đối mặt với các thách thức kỹ thuật lớn trước khi loại pin này có thể được sử dụng rộng rãi.
Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Osaka Metropolitan phát hiện ra một cách đơn giản đến bất ngờ để cải thiện hiệu suất của pin thể rắn mà không cần đến các vật liệu mới, đắt tiền. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Energy Storage.
Bên trong pin, chất điện phân rắn gồm các hạt nhỏ được xếp khít nhau. Các ion lithium phải di chuyển qua các đường dẫn hẹp, ngoằn ngoèo giữa các hạt này. Đường dẫn càng quanh co, chật chội, các ion càng khó di chuyển hiệu quả. Điều này tạo ra lực cản và làm giảm hiệu suất của pin.
Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, các nhà khoa học nghiên cứu một loại vật liệu điện phân rắn gốc sulfide có tên là lithium phosphorus sulfur chloride (LPSCl). Các nhà khoa học đã cẩn thận thay đổi kích thước của các hạt bằng cách điều chỉnh các điều kiện nghiền trong quá trình sản xuất.
Sau đó, họ kiểm tra xem các kích thước hạt khác nhau ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc bên trong và độ dẫn điện của pin. Sử dụng máy tính mô phỏng và kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, các nhà nghiên cứu hình dung được các đường dẫn vi mô mà các ion lithium di chuyển bên trong pin.
Họ phát hiện pin hoạt động tốt hơn khi các hạt của chất điện phân có kích thước khác nhau, thay vì tất cả đều có cùng kích thước. Các hạt lớn hơn tạo ra các đường dẫn trực tiếp và trơn tru hơn, giúp các ion có khả năng di chuyển xuyên qua dễ hơn các cụm hạt nhỏ hơn,.
Theo một nghĩa nào đó, các hạt lớn hơn hoạt động như những đường tắt hoặc đường vòng bên trong pin. Nhờ cấu trúc được cải tiến này, các ion cần phải vượt qua ít ranh giới hạt hơn, cho phép chúng di chuyển nhanh hơn và hiệu quả hơn qua điện cực.
Các phát hiện này rất quan trọng, vì chúng cho thấy các nhà sản xuất có thể cải thiện hiệu suất pin chỉ bằng cách tối ưu hóa cách điều chế và trộn các hạt trong quá trình sản xuất, thay vì phát minh ra các vật liệu pin hoàn toàn mới.
Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này có thể giúp cải thiện hiệu suất sạc và xả nhanh của pin, đồng thời giúp sản xuất pin hiệu quả, tiết kiệm chi phí hơn. Những tiến bộ như thế này có thể giúp đưa pin thể rắn thực tiễn đến gần hơn với việc sử dụng rộng rãi.
