Trong một bước tiến lớn về công nghệ lưu trữ năng lượng, các nhà nghiên cứu tại Đại học Yonsei (Hàn Quốc) phát triển một chất điện phân rắn gốc florua, giúp pin thể rắn hoàn toàn (ASSB) vượt qua giới hạn 5 volt (V) mà không ảnh hưởng đến độ an toàn hoặc độ dẫn điện.
Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư tìm cách tăng mật độ năng lượng của pin bằng cách tăng điện áp, nhưng hoạt động ở điện áp cao như vậy được coi là ngoài tầm với, vì hầu hết chất điện phân rắn thông thường, như sunfua và oxit, có xu hướng bị phân hủy ở mức điện áp trên 4V.
Giáo sư Yoon Seok Jung và nhóm nghiên cứu của ông giới thiệu chất điện phân rắn gốc florua, LiCl–4Li₂TiF₆, có khả năng duy trì độ ổn định ở điện áp trên 5V và thể hiện độ dẫn ion Li+ cao là 1,7 x 10⁻⁵ S/cm ở 30°C, một trong những độ dẫn điện cao nhất trong cùng loại.
Điều này giải quyết một rào cản lâu nay trong khoa học pin, đó là đạt độ ổn định ở điện áp cao mà không làm giảm độ dẫn ion. Theo Giáo sư Jung, LiCl–4Li₂TiF₆ mở ra hướng đi mới mà trước đây bị cấm cho hoạt động ở điện áp cao trong pin thể rắn, đánh dấu thay đổi thực sự trong thiết kế lưu trữ năng lượng.
Hiệu suất độc đáo này cho phép cực âm spinel như LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ (LNMO) hoạt động an toàn và hiệu quả, ngay cả trong điều kiện chu kỳ khắc nghiệt. LNMO được biết đến với hiệu suất cao nhưng trước đây bị hạn chế bởi sự không ổn định của chất điện phân.
Khi sử dụng làm lớp phủ bảo vệ trên cực âm, LiCl–4Li₂TiF₆ ngăn ngừa hiệu quả sự suy giảm bề mặt tiếp xúc giữa cực âm và chất điện phân, thường làm giảm tuổi thọ của pin. Kết quả cho thấy, pin thể rắn vẫn duy trì hơn 75% dung lượng sau 500 chu kỳ và đạt dung lượng diện tích cực cao là 35,3 mAh/cm², một kỷ lục với hệ thống pin thể rắn.
Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh khả năng thích ứng của chất điện phân mới đối với pin dạng túi. Đây là định dạng tương tự sử dụng trong xe điện và thiết bị điện tử tiêu dùng, hệ thống vẫn thể hiện hiệu suất ổn định vượt trội, cho thấy khả năng hoạt động trong thực tế.
Phương pháp tiếp cận dựa trên florua của nhóm Đại học Yonsei không chỉ cải thiện một loại pin đơn lẻ mà còn định nghĩa lại cách thiết kế ASSB. “Lớp chắn gốc florua” do các nhà nghiên cứu tạo ra, không chỉ tăng cường độ ổn định điện hóa mà còn cho phép tương thích với các catholyte halide tiết kiệm chi phí, như hệ thống gốc Zr.
Khả năng tương thích này có thể giúp giảm chi phí vật liệu, đồng thời cải thiện độ an toàn và tuổi thọ, vốn là hai trong số các thách thức lớn nhất trong việc mở rộng quy mô sản xuất thương mại pin thể rắn.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Energy, đánh dấu bước tiến lớn hướng tới việc thương mại hóa pin thể rắn có điện áp cao. Khám phá này có tiềm năng to lớn, từ việc cho phép xe điện có phạm vi hoạt động dài hơn và sạc nhanh hơn, đến việc thúc đẩy lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn, trong đó pin có tuổi thọ cao hơn và lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
