Trong thời đại mà các thiết bị điện tử và xe điện đòi hỏi hiệu suất pin tốt hơn, các nhà khoa học đang chạy đua để phát triển loại pin có tuổi thọ dài hơn, sạc nhanh hơn và lưu trữ nhiều năng lượng hơn.

Một giải pháp đầy hứa hẹn nằm ở pin thể rắn hoàn toàn (ASSB), có thể vượt trội hơn pin lithium-ion thông thường cả về hiệu suất và độ an toàn.

Trọng tâm của cải tiến này là vật liệu hoạt động ở cực âm (CAM), đặc biệt là vật liệu giàu niken (Ni), đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất của pin.

ASSB khác với pin lithium-ion thông thường ở chỗ sử dụng chất điện phân dạng rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng, giúp giảm nguy cơ cháy nổ và cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng.

Tuy nhiên, hiệu suất của loại pin này phụ thuộc nhiều vào hiệu quả của cực âm. Các nhà nghiên cứu tập trung vào cực âm giàu Ni vì chúng có khả năng tăng đáng kể mật độ năng lượng. Nhưng bên cạnh các ưu điểm, cực âm này cũng có một số hạn chế ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.

ASSB bao gồm vật liệu hoạt tính ở cực âm (CAM) nhiều lớp giàu Ni và chất điện phân rắn sulfide là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho pin thế hệ tiếp theo với mật độ năng lượng cao và độ an toàn, nhóm nghiên cứu cho biết.

Tuy nhiên, sự suy giảm dung lượng đáng kể xảy ra do sự suy thoái bề mặt tại giao diện CAM - chất điện phân và những thay đổi nghiêm trọng về thể tích mạng trong CAM, dẫn đến sự cô lập các hạt bên trong và tách CAM khỏi chất điện phân.

Sự suy thoái này chủ yếu do phản ứng hóa học tại giao diện cực âm - chất điện phân và những thay đổi về cấu trúc trong chính cực âm. Sự giãn nở và co lại của các hạt cực âm trong các chu kỳ sạc dẫn đến sự phá vỡ vật liệu, làm giảm hiệu suất của pin.

Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hanyang ở Hàn Quốc tiến hành một nghiên cứu kiểm tra cách các mức niken khác nhau trong cực âm tác động đến sự suy thoái.

Họ tổng hợp bốn loại cực âm giàu Ni khác nhau, với hàm lượng niken dao động từ 80% đến 95% và phân tích tác động của chúng đến hiệu suất pin.

Nghiên cứu phát hiện ra rằng sự xuống cấp bề mặt là vấn đề chính đối với cực âm có 80% niken, trong khi hàm lượng niken cao hơn (85% trở lên) dẫn đến sự cô lập và tách rời các hạt, làm giảm hiệu suất pin hơn nữa.

Từ kiến ​​thức này, các nhà nghiên cứu phát triển cực âm giàu Ni được cải tiến với bề mặt và cấu trúc được tối ưu hóa. Cực âm này có thiết kế dạng cột, giúp giảm đáng kể sự tách rời các hạt và cải thiện độ ổn định tổng thể.

Khi thử nghiệm trong một pin đầy đủ, dạng túi với điện cực không có cực dương C/Ag, cực âm được thiết kế mới vẫn giữ được 80,2% công suất ban đầu sau 300 chu kỳ sạc. Đây là bước tiến đáng kể hướng tới việc cải thiện ASSB, giúp chúng đáng tin cậy hơn, phù hợp để áp dụng rộng rãi.

Bằng cách tinh chế cực âm giàu Ni, các nhà nghiên cứu đang mở đường cho pin thể rắn hoàn toàn hiệu suất cao, bền lâu và an toàn hơn. Bước đột phá này có thể đóng góp cho việc lưu trữ năng lượng, thúc đẩy cải tiến trong các thiết bị điện tử, xe điện và các ứng dụng khác dùng pin.