Cực dương silicon mới giúp tăng mật độ năng lượng của pin lithium lên 250%

Công nghệ này, được phát triển tại Trung tâm nghiên cứu năng lượng mặt trời và hydro Baden-Württemberg (ZSW), có tiềm năng định hình lại hiệu suất pin cho xe điện, thiết bị điện tử tiêu dùng và lưu trữ năng lượng tái tạo.

Các pin lithium-ion thông thường thường sử dụng than chì (graphite) làm cực dương, điện cực âm của pin. Tuy nhiên, than chì, dạng tinh thể của carbon, chỉ có thể lưu trữ khoảng 370 miliampe-giờ (mAh) lithium trên mỗi gram.

Giới hạn lưu trữ này, từ lâu đã hạn chế lượng năng lượng mà pin hiện nay có thể lưu trữ. Trong khi đó silicon (Si), về mặt lý thuyết có thể lưu trữ tới 4.200 mAh lithium trên mỗi gram. Con số này tương ứng gấp hơn 10 lần so với dung lượng của than chì.

Với giá thành của silicon và than chì gần tương đương nhau, silicon mang đến giải pháp đầy hứa hẹn cho các loại pin năng lượng cao, giá cả phải chăng. Tuy nhiên, khi silicon hấp thụ lithium, nó sẽ giãn nở tới 300%.

Sự giãn nở này gây ra nứt vỡ, tách lớp và hỏng pin nhanh chóng. Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu thử nghiệm các cấu trúc nano, màng mỏng và hỗn hợp composite, nhưng việc mở rộng quy mô các phương pháp này để sản xuất hàng loạt vẫn là một thách thức.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu thiết kế cực dương silicon dựa trên sợi không dệt, mềm dẻo, dẫn điện, thay vì phủ vật liệu lên lá kim loại cứng. Phương pháp tiếp cận sáng tạo này để thích ứng với thay đổi về thể tích trong silicon, giúp tránh hiện tượng nứt, bong tróc thường xảy ra trong quá trình sạc và xả

Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là đạt dung lượng thực tế không dưới 1.000 mAh/gram, từ đó sẽ tăng mật độ năng lượng thực tế của cực dương lên ít nhất 250%. Điều này sẽ tạo ra loại pin mạnh mẽ, bền bỉ và bền vững.

Theo ZSW, nhóm nghiên cứu bắt đầu tích hợp cực dương mới vào các cell pin nhỏ thử nghiệm để đánh giá hiệu suất của chúng. Giai đoạn tiếp theo sẽ là phân tích, tinh chỉnh, mở rộng quy trình sản xuất để sản xuất các pin lớn như loại dùng cung cấp năng lượng cho xe điện.

Với nhiều dây chuyền sản xuất thí điểm và hệ thống sản xuất giống như nhà máy có khả năng sản xuất pin lithium-ion 100 ampe-giờ (Ah), viện nghiên cứu đang ở vị thế thuận lợi để đẩy nhanh quá trình phát triển.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, cực dương silicon dạng sợi có thể cho phép sản xuất các bộ pin xe điện nhẹ hơn, phạm vi lái xe dài hơn và sản xuất bền vững hơn. Họ cũng tin rằng công nghệ này có thể củng cố vị thế của Đức trong lĩnh vực đổi mới pin thế hệ tiếp theo.