Pin lithium-kim loại (LMB) là loại pin sạc, có cực dương (tức là điện cực mà dòng điện chạy qua và xảy ra sự mất electron) được làm bằng kim loại lithium. So với pin lithium-ion (LIB) thông thường, loại pin cung cấp năng lượng cho hầu hết thiết bị điện tử trên thị trường hiện nay, pin LMB có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn, sạc nhanh hơn và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
Mặc dù có những ưu điểm, loại pin này vẫn chưa phát huy hết tiềm năng và việc sạc chúng một cách an toàn trong thời gian ngắn vẫn là một thách thức. Đặc biệt, việc cho phép electron và ion di chuyển nhanh chóng, hiệu quả qua ranh giới giữa các điện cực và chất điện phân, quá trình được gọi là truyền tải điện tích, gặp nhiều khó khăn.
Nếu quá trình truyền tải điện tích diễn ra chậm, các phản ứng hóa học trở nên trì trệ, điều này có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn và thúc đẩy sự hình thành các nhánh lithium (dendrite). Về cơ bản, đây là phần mở rộng hình kim có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của pin, dẫn đến hỏng đột ngột, trong trường hợp nghiêm trọng nhất, dẫn đến cháy hoặc nổ.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học khoa học và công nghệ Trung Quốc và các viện nghiên cứu khác, gần đây đã thiết kế chất điện phân mới ở cấp độ phân tử, có thể khắc phục hạn chế quan trọng này của pin LMB. Chất điện phân này, được giới thiệu trong một bài báo trên tạp chí Nature Energy, cho phép phát triển các loại pin LMB ổn định hơn, có thể sạc nhanh và an toàn hơn.
Khi xem xét các tài liệu trước đây và tiến hành các nghiên cứu sơ bộ, nhóm nghiên cứu xác định được những hạn chế chính của pin LMB và nguyên nhân cơ bản của chúng. Điều này truyền cảm hứng cho họ thiết kế chất điện phân mới với cấu trúc phân tử độc đáo, có thể hạn chế các phản ứng phụ không mong muốn và cải thiện độ ổn định, cũng như hiệu suất của pin.
Nhóm nghiên cứu đã cẩn thận thiết kế các phân tử dung môi trong chất điện phân, sắp xếp các electron thành một kênh phẳng, thẳng hàng, có trật tự, được gọi là PAEC. PAEC này giúp tăng cường đáng kể liên kết giữa LPEs và Li+, thúc đẩy động học và khả năng đảo ngược của phản ứng oxy hóa khử Li+/Li0.
Chất điện phân được thiết kế cho phép chu kỳ sạc/xả ổn định đáng kể đối với pin dạng túi công nghiệp 2 Ah Li||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 ở tốc độ cực cao 4 C, sạc đầy 100% trong vòng 15 phút với mật độ công suất sạc là 1.747,6 W kg−1.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm chất điện phân mới của họ trong phòng thí nghiệm, bằng cách đưa nó vào các pin lithium kim loại dạng túi thực tế. Họ đã chứng minh rằng, những pin này có thể được sạc cực nhanh, đạt mức sạc đầy chỉ trong vòng 15 phút.
Các kết quả ban đầu thu được bởi nhóm nghiên cứu, làm nổi bật tiềm năng của phương pháp thiết kế chất điện phân này trong việc hiện thực hóa các loại pin ổn định, năng lượng cao và sạc nhanh. Trong tương lai, nó có thể được điều chỉnh và sử dụng để thiết kế các chất điện phân đầy hứa hẹn khác cho pin LMB.
Pin có cực dương lithium kim loại hiện đang ở giai đoạn sản xuất ban đầu và chưa được thương mại hóa hoàn toàn. Sau cùng, những nỗ lực của nhóm nghiên cứu và phương pháp tiếp cận mà họ đề xuất có thể góp phần vào sự phát triển của pin lithium kim loại, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai an toàn và đáng tin cậy của chúng trong thực tế.
