Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kennesaw State, Hoa Kỳ, đang phát triển một chất điện phân rắn sử dụng lưu huỳnh, được thiết kế để cải thiện sự di chuyển của ion lithium trong pin thể rắn, giải quyết một trong những rào cản kỹ thuật chính ngăn cản việc sử dụng rộng rãi công nghệ này.
Pin thể rắn được xem là bước tiến tiếp theo cho thiết bị điện tử, xe điện, hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện. Pin thể rắn thay thế chất điện phân lỏng dễ quá nhiệt, được sử dụng trong pin lithium-ion thông thường, bằng vật liệu rắn, giúp giảm nguy cơ cháy nổ và cải thiện độ ổn định nhiệt.
Tuy nhiên, sự vận chuyển chậm các ion lithium trong vật liệu rắn, vẫn là một thách thức dai dẳng đối với pin thể rắn. Điều này làm hạn chế tốc độ sạc và hiệu suất tổng thể của chúng.
Nhóm nghiên cứu do Beibei Jiang, trợ lý giáo sư tại Khoa kỹ thuật điện và máy tính, dẫn đầu, đang nghiên cứu một chất điện phân tổng hợp, kết hợp thành phần ceramic và polymer. Nhóm tập trung vào việc cải thiện liên kết bên trong giữa các vật liệu rắn, thay vì thiết kế lại toàn bộ cấu trúc pin.
Bằng cách điều chỉnh vật liệu tổng hợp này, bằng các nhóm hóa học gốc lưu huỳnh, các nhà nghiên cứu đặt ra mục tiêu giảm điện trở tại các giao diện của vật liệu, cho phép các ion lithium di chuyển hiệu quả hơn.
Nhóm nghiên cứu đã đưa các nhóm hóa học gốc lưu huỳnh vào chất điện phân tổng hợp, cải thiện liên kết giữa pha ceramic và pha polymer. Điều này làm giảm điện trở giao diện, cho phép các ion lithium di chuyển tự do hơn qua cấu trúc rắn.
Việc điều chỉnh chất điện phân bằng lưu huỳnh của nhóm nghiên cứu, làm cho các ion lithium có thể di chuyển nhanh hơn, điều đó có nghĩa là pin thể rắn có thể sạc nhanh hơn và hoạt động hiệu quả hơn.
Trong các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu cũng xác định được sự tương tác mạnh mẽ giữa lưu huỳnh và zirconium trong phần ceramic của chất điện phân. Theo nhóm nghiên cứu, sự tương tác này giữa lưu huỳnh và zirconium có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện hiệu suất và chưa từng được ghi nhận trước đây trong nghiên cứu về pin thể rắn.
Phát hiện này xuất hiện một cách bất ngờ khi các sinh viên nhận thấy phản ứng xảy ra nhanh hơn nhiều so với dự kiến ban đầu trong các thử nghiệm. Thay vì loại bỏ kết quả, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu nguyên nhân và điều chỉnh quy trình để làm cho nó có thể kiểm soát được.
Trọng tâm của nhóm nghiên cứu hiện nay là chứng minh thiết kế này hoạt động hiệu quả, ổn định và đáng tin cậy. Một khi có thể chứng minh điều đó, nhóm nghiên cứu mới nghĩ đến việc mở rộng quy mô ra khỏi phòng thí nghiệm và sản xuất.
Mặc dù phương pháp này vẫn đang ở giai đoạn ban đầu, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng cách tiếp cận vật liệu này có thể được điều chỉnh cho nhiều ứng dụng pin khác nhau nếu tính ổn định lâu dài và khả năng sản xuất được chứng minh.
