Nghiên cứu mới này đến từ các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), cùng với các nhóm nghiên cứu từ Đại học Dongguk, Đại học Yonsei và Đại học Quốc gia Chungbuk.
Nghiên cứu này giải quyết hai trở ngại chính của chất điện phân rắn gốc halide: sự nhạy cảm với độ ẩm và độ dẫn ion hạn chế. Điều thú vị là thiết kế mới này duy trì được tính toàn vẹn của cấu trúc khi tiếp xúc với không khí, đồng thời tăng cường dòng ion.
Các loại pin hiện nay chủ yếu sử dụng chất điện phân dạng lỏng, dễ cháy, có thể cháy nổ nếu pin bị hư hỏng hoặc quá nóng. Pin thể rắn thay thế chất điện phân dạng lỏng đó bằng vật liệu rắn không cháy, giúp chúng an toàn hơn nhiều cho xe cộ và các thiết bị.
Nhưng độ ẩm là một trong những yếu tố cản trở sự phát triển của công nghệ pin này. Chỉ cần một luồng không khí ẩm cũng đủ để phá vỡ cấu trúc bên trong của chất điện phân halide. Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu thiết lập một nguyên tắc thiết kế, bằng kỹ thuật gọi là “neo oxy”.
Nghiên cứu tập trung vào chất điện phân gốc halide, nổi tiếng với độ dẫn ion cao, nhưng có điểm yếu lớn là dễ vỡ. Đặc tính dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm này khiến chúng khó xử lý và sản xuất, vì ngay cả khi tiếp xúc ngắn với không khí cũng có thể làm giảm hiệu suất của chúng.
Để khắc phục điều này, vonfram (tungsten) được đưa vào hỗn hợp. Nó hoạt động như một chất “neo”, giữ chặt các nguyên tử oxy bên trong cấu trúc tinh thể của chất điện phân. Chất điện phân mới vẫn duy trì cấu trúc ổn định ngay cả khi tiếp xúc với không khí, giải quyết được vấn đề về độ ổn định.
Ngoài độ bền, các nhà nghiên cứu cũng thiết kế lại cấu trúc bên trong để mở rộng “đường dẫn” cho các ion lithium di chuyển tự do hơn. Điều này dẫn đến độ dẫn ion cao hơn 2,7 lần so với các phiên bản chất điện phân rắn halide tiêu chuẩn. Thông qua đó, pin không chỉ bền hơn mà còn mạnh mẽ hơn và sạc nhanh hơn.
Một ưu điểm quan trọng của công nghệ này là tính linh hoạt về vật liệu. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng thành công chiến lược của họ cho nhiều loại chất điện phân khác nhau, gồm cả những chất dựa trên zirconium, indium, yttrium và erbium, đạt kết quả nhất quán trên diện rộng.
Điều này chứng minh phương pháp này là “nguyên tắc thiết kế phổ quát”, có thể sử dụng để nâng cấp nhiều loại vật liệu pin thế hệ mới. Chất điện phân gốc halide không còn bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí, giúp việc sản xuất trở nên dễ dàng và rẻ hơn rất nhiều.
Khả năng kết hợp giữa tính an toàn được nâng cao và khả năng sạc nhanh của loại pin này, có ý nghĩa quan trọng đối với tương lai của xe điện, robot và taxi bay. Các ngành công nghiệp này đòi hỏi pin phải nhẹ, cực kỳ an toàn và có khả năng sạc nhanh.
Tóm lại, phương pháp này chứng minh việc sản xuất hàng loạt pin thể rắn thế hệ mới, chống cháy nổ không còn chỉ là lý thuyết mà là mục tiêu khả thi về mặt thương mại. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
