Một kỹ thuật mới trong quá trình sản xuất pin nhằm cải tiến nhiều mặt cho xe điện, từ chi phí đến tốc độ sạc. Kỹ thuật mới này sử dụng phương pháp khô, không dùng dung môi, để tạo ra cấu trúc điện cực mạnh mẽ hơn, giúp pin xe điện hoạt động ổn định và sạc nhanh hơn.
Công trình của nhóm nghiên cứu cho thấy, phương pháp khô đã cải thiện rõ rệt hiệu suất của pin. Điện cực được tạo ra bền hơn, độ dẫn điện tốt hơn và hoạt động tốt hơn ở điện áp cao, tất cả đều khá lý tưởng. Khám phá này được công bố trên tạp chí Nature Energy.
Mỗi điện cực của pin thường được cấu tạo từ ba thành phần cốt lõi, gồm: vật liệu hoạt tính để lưu trữ năng lượng, chất phụ gia gốc carbon để dẫn điện và chất kết dính đóng vai trò như chất keo để giữ cấu trúc.
Thông thường, quy trình sản xuất pin hiện nay sử dụng phương pháp dạng “huyền phù” (hỗn hợp các hạt rắn khó tan lơ lửng trong môi trường chất lỏng), trong đó vật liệu điện cực được trộn với dung môi độc hại, phủ lên lá kim loại và sấy khô trong lò nung lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng.
Mặc dù đây là phương pháp khá phổ biến trong ngành, nhưng quy trình này khá tốn kém, gây hại cho môi trường và giảm hiệu quả khi điện cực dày hơn.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tìm cách chuyển sang quy trình khô, loại bỏ hoàn toàn dung môi lỏng, mang đến cách thức rẻ hơn, thân thiện hơn với môi trường và có khả năng mở rộng quy mô để chế tạo các điện cực cung cấp năng lượng cho xe điện.
Bí quyết cho sự tăng hiệu suất bất ngờ này là gì? Đó là “hiệu ứng hiệp đồng” chưa từng được phát hiện trước đây. Trong pin tiêu chuẩn, vật liệu carbon và chất kết dính được cho là hoạt động độc lập. Nhưng trong quy trình khô, nhóm nghiên cứu phát hiện ra tương tác hóa học độc đáo giữa chất phụ gia carbon và chất kết dính.
Sự kết hợp này tạo ra một mạng dẫn điện vượt trội, giúp pin không chỉ mạnh mẽ hơn mà còn ổn định hơn, cả về cấu trúc và hóa học. Nhóm nghiên cứu phát hiện, các phản ứng phụ ở điện áp cao bắt nguồn từ chất phụ gia carbon vì thành phần này rất dễ phản ứng.
Nhưng nhờ hiệu ứng hiệp đồng, chất kết dính - vốn hoàn toàn không phản ứng - phủ lên hoặc phủ một phần lên bề mặt carbon, về cơ bản làm giảm khả năng phản ứng của carbon và các phản ứng phụ ở điện áp cao, Giáo sư Minghao Zhang giải thích.
Điện cực thu được bền hơn, cho phép lưu trữ năng lượng dày đặc hơn mà không bị giòn, dễ vỡ như các vật liệu xử lý bằng phương pháp ướt. Vì vậy, pin có thể hoạt động rất tốt ở điện áp cao với các phản ứng phụ tối thiểu.
Sự cải tiến này có thể giúp pin có giá phải chăng hơn, bền hơn và sạc nhanh hơn. Điều này cũng có nghĩa là giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất, giảm chi phí sản xuất cho các nhà sản xuất ô tô, thúc đẩy thị trường xe điện khi chiếc xe có giá hợp lý hơn cho người tiêu dùng.
Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc vi mô của điện cực để cho phép dẫn ion lithium nhanh đến mức thực sự có thể sánh ngang với thời gian đổ xăng.
