Nhu cầu điện khí hóa ngày càng tăng đang được đáp ứng bằng công nghệ lưu trữ năng lượng có mật độ năng lượng cao nhất, đó là pin lithium-ion. Pin lithium-ion không cực dương hứa hẹn có mật độ năng lượng cao hơn nữa so với các loại pin có cực dương, và với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa phát huy hết tiềm năng của nó do các vấn đề như sự không ổn định của lớp lắng đọng lithium và các phản ứng tại giao diện điện cực-chất điện phân, làm giảm tuổi thọ của pin và gây ra những lo ngại về an toàn.
Một nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này trong chất điện phân dạng gel. Để phát triển loại chất điện phân này, các nhà nghiên cứu đã phải xem xét lại sự tương tác giữa chất điện phân polymer và các ion lithium ở cấp độ nano.
Các nhà nghiên cứu sử dụng mạng lưới polymer kỵ muối trong thiết kế chất điện phân, có khả năng đẩy các ion lithium một cách chọn lọc trong khi thu hút các phân tử dung môi. Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống này là chất điện phân được phân chia ở cấp độ nano thành các thành phần khác nhau. Điều này cho phép hình thành lớp bảo vệ trên bề mặt lithium.
Trong các thử nghiệm trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng chất điện phân có hàm lượng flo cao nhưng không đạt được sự phân tách hiệu quả như vậy. Trong polymer dạng gel, các ion lithium bị buộc phải liên kết mạnh hơn với các anion so với các phân tử dung môi.
Để hiểu rõ hơn vai trò của chất điện phân dạng gel, các nhà nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật như quang phổ, kính hiển vi điện tử, mô phỏng phân tử, phát hiện ra dạng gel thúc đẩy sự hình thành lớp giao diện mỏng, giàu chất vô cơ, đảm bảo sự lắng đọng lithium mịn hơn và dày đặc hơn.
Ngoài ra, nó còn ngăn các phản ứng tiêu thụ lithium hoạt tính trong pin không có cực dương, giúp khắc phục các vấn đề liên quan đến thiết kế này. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy, chất điện phân mới dạng gel giữ lại hơn 80% dung lượng của nó trong điều kiện gần với thực tế. Nhưng chưa hết, chất điện phân còn cải thiện độ ổn định nhiệt của pin.
Khi các nhà nghiên cứu tiến hành thử nghiệm độ bền, các pin dạng túi nhiều lớp chứa chất điện phân dạng gel chịu được việc khoan đục mà không xảy ra hiện tượng quá nhiệt. Ngược lại, pin sử dụng chất điện phân dạng lỏng thông thường bị bốc cháy hay phát nổ trong quá trình thử nghiệm.
Nghiên cứu này cũng chứng minh việc cải thiện hiệu suất pin có thể đạt được bằng cách thiết kế môi trường nano thay vì phát triển các công thức chất điện phân mới. Bằng cách kết hợp trực tiếp độ an toàn và độ bền vào cấu trúc chất điện phân, nghiên cứu này đưa pin không có cực dương đến gần hơn đến việc ứng dụng thực tế.
Các nhà nghiên cứu cũng tin rằng phương pháp của họ có thể mở rộng sang các công nghệ pin khác, ngoài lithium-ion. Điều này có thể mở ra cánh cửa cho các giải pháp lưu trữ mật độ cao hơn, rẻ hơn và an toàn hơn. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule.
