Các nhà nghiên cứu ở Thụy Sĩ phát triển chất điện phân polymer có thể co giãn, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ an toàn của pin thể rắn. Vật liệu này, dựa trên silicon, mang lại tính linh hoạt trong thiết kế pin, đồng thời giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến lưu trữ năng lượng của pin thể rắn.
Trong các pin lithium-ion thông thường, chất điện phân - bộ phận cho phép các ion di chuyển giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả - thường là chất lỏng dễ cháy. Pin thể rắn thay thế chất lỏng này bằng chất điện phân rắn, do đó chúng an toàn hơn và có khả năng đạt mật độ năng lượng cao hơn nhiều.
Mật độ năng lượng cao hơn, đồng nghĩa với việc có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong một đơn vị thể tích tương đương. Đây là yếu tố quan trọng cho nhiều ứng dụng, từ xe điện đến thiết bị điện tử cầm tay và các sản phẩm có thiết kế nhỏ gọn.
Tuy nhiên, công nghệ đầy hứa hẹn này vẫn còn một vài hạn chế, gây khó khăn cho nghiên cứu và ứng dụng. Hầu hết chất điện phân rắn hiện có đều là vật liệu cứng. Độ cứng này gây ra các vấn đề ứng suất cơ học bên trong pin trong quá trình sạc, hạn chế hiệu suất và độ bền lâu dài.
Các nhà nghiên cứu của Empa từ Phòng thí nghiệm polymer chức năng, giải quyết thách thức này bằng cách phát triển chất điện phân linh hoạt dựa trên polysiloxane, hay còn gọi là silicon. Silicon có tính đàn hồi tự nhiên, nhưng ở dạng tiêu chuẩn, nó không thể dẫn ion, một yêu cầu cơ bản cho hoạt động của pin.
Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu bổ sung các nhóm chức vào dọc theo mạch phân tử của polymer. Bổ sung này cho phép silicon hòa tan và vận chuyển ion tốt, trong khi vẫn duy trì các đặc tính đàn hồi của nó. Kết quả là một chất điện phân mềm, co giãn, kết hợp khả năng dẫn điện ion với tính linh hoạt về mặt cơ học.
Pin lithium-ion hiện nay dùng cực dương dựa trên lithium. Khi pin xả, các ion lithium di chuyển ra khỏi cực dương; khi được sạc, chúng quay trở lại. Tuy nhiên, lithium không lắng đọng đều trên bề mặt cực dương mà tạo thành nhánh tinh thể (dendrite), là cấu trúc dạng kim, có thể mở rộng đến cực âm trong các chu kỳ sạc lặp đi, lặp lại, có thể gây ra đoản mạch.
Chất điện phân rắn giúp ngăn sự phát triển các dendrite. Nhưng một vấn đề khác phát sinh, khi các ion lithium rời khỏi cực dương, chúng để lại các lỗ rỗng siêu nhỏ, hình thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Các lỗ rỗng này có thể làm gián đoạn sự tiếp xúc giữa cực dương với chất điện phân, làm giảm dung lượng pin.
Đây là lúc chất điện phân gốc silicon do các nhà nghiên cứu của Empa phát triển, giải quyết được cùng lúc cả hai vấn đề: Nó đủ rắn để ngăn ngừa sự hình thành các dendrite, đồng thời cũng đủ đàn hồi để lấp đầy các lỗ rỗng mới xuất hiện, thích ứng cho sự thay đổi thể tích ở cực dương trong quá trình sạc và xả.
Tính đàn hồi và an toàn không phải là những ưu điểm duy nhất của chất điện phân cải tiến này. Ngoài việc cải thiện độ ổn định của pin, chất điện phân polymer còn có thể mở ra các định dạng hoàn toàn mới của pin. Vì vật liệu này có thể được xử lý thành các màng mỏng chỉ dày vài micromet, nó có thể hỗ trợ cho sự phát triển các pin linh hoạt.
Vật liệu này có khả năng sản xuất trên quy mô công nghiệp và có chi phí sản xuất thấp hơn so với nhiều chất điện phân polymer rắn thông thường. Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực cải thiện hơn nữa độ dẫn ion của chất điện phân silicon, đồng thời tìm kiếm đối tác phù hợp để thương mại hóa công nghệ này.
