Nhằm giúp pin lithium-ion an toàn hơn và dễ tái chế, các nhà khoa học tại Viện khoa học Tokyo phát triển chất điện phân mới bán rắn. Vật liệu này, gọi là 3D-SLISE (chất điện phân bán rắn giao diện nhờn 3D), có thể thay đổi cách sản xuất và xử lý loại pin này, giải quyết một số thách thức lâu nay của pin lithium-ion.
Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến xe điện, nhưng việc chúng phụ thuộc vào dung môi hữu cơ dễ cháy, sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng và quy trình tái chế phức tạp bấy lâu nay, làm dấy lên những lo ngại về an toàn, chi phí và môi trường.
Công nghệ 3D-SLISE mới loại bỏ nhu cầu về phòng khô, hộp găng tay và xử lý nhiệt độ cao, mang đến quy trình sản xuất an toàn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Yosuke Shiratori và Phó Giáo sư Shintaro Yasui từ Viện nghiên cứu năng lượng không carbon.
Sử dụng ma trận borate-nước kết hợp với lithium tetraborate vô định hình, muối lithium và carboxymethyl cellulose, nhóm nghiên cứu tạo ra một giao diện giống như chất nhờn, cho phép các ion lithium di chuyển theo mọi hướng. Sự dẫn ion ba chiều này là nền tảng cho hiệu suất mạnh mẽ và tính linh hoạt của chất điện phân.
Pin lithium-ion 2,35 volt thu được có thể sạc hoặc xả chỉ trong 20 phút, duy trì hiệu suất trong hơn 400 chu kỳ ở nhiệt độ phòng. Chất điện phân đạt độ dẫn ion 2,5 milliSiemens/centimet (mS/cm) và năng lượng hoạt hóa thấp 0,25 electron-volt, cho phép hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường xung quanh.
Điều quan trọng là quy trình sản xuất không đòi hỏi các biện pháp kiểm soát môi trường tốn kém, giúp quy trình có khả năng mở rộng quy mô trong ngành công nghiệp. Phương pháp này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất pin.
Thành phần gốc nước của 3D-SLISE cũng mang lại lợi thế quan trọng không kém là khả năng tái chế trực tiếp. Vì không chứa chất kết dính polyvinylidene di-fluoride hoặc dung môi độc hại, vật liệu hoạt tính có thể được thu hồi bằng cách ngâm điện cực trong nước.
Các nguyên tố có giá trị như coban, có thể được thu hồi mà không cần phương pháp xử lý hóa học mạnh hoặc quy trình năng lượng cao, giải quyết cả vấn đề kém hiệu quả trong tái chế và tình trạng khan hiếm vật liệu.
Sự đơn giản này có thể giúp giảm bớt lo ngại về pin thải ở cuối vòng đời, đặc biệt là khi nhu cầu pin lithium-ion toàn cầu tiếp tục tăng cao. Bằng cách giúp việc tái chế dễ tiếp cận hơn, công nghệ này cũng hỗ trợ nền kinh tế pin tuần hoàn, nơi vật liệu được tái sử dụng thay vì bị loại bỏ.
Nhìn về tương lai, các nhà nghiên cứu tin rằng 3D-SLISE có thể được ứng dụng trong thiết bị điện tử di động, lưu trữ năng lượng cố định, thậm chí cả xe điện. Sự kết hợp giữa tính an toàn, khả năng tái chế và quy trình xử lý tác động thấp của nó mở ra hướng đi mới, hướng tới lưu trữ năng lượng sạch hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
Những phát hiện của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
