Các kỹ sư tại Đại học California (UC), San Diego, cùng với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu từ UC Irvine, UC Santa Barbara và LG Energy Solution, phát triển thiết kế mới cho điện cực hợp kim kim loại, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của pin thể rắn.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, tập trung vào việc sử dụng hợp kim lithium-nhôm cho điện cực âm, còn gọi là cực dương. Hợp kim này chứa hai dạng riêng biệt, còn gọi là “pha”, được gọi là pha beta giàu lithium và pha alpha nghèo lithium.
Các nhà khoa học phát hiện, cách các ion lithium di chuyển qua các pha này, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất sạc và xả của pin. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận tỷ lệ lithium và nhôm, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra điện cực có nhiều pha beta hơn.
Sự thay đổi này giúp ion lithium có thể di chuyển qua pha beta nhanh hơn tới 10 tỉ lần so với pha alpha, cho phép truyền năng lượng nhanh hơn nhiều. Pha beta cũng làm cho điện cực dày hơn, ổn định hơn, cải thiện cách lithium di chuyển giữa điện cực và chất điện phân rắn, điều quan trọng của thiết kế pin thể rắn.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, pin được chế tạo với điện cực hợp kim lithium-nhôm được tối ưu hóa này, có khả năng sạc và xả nhanh chóng và duy trì hiệu suất của chúng trong hơn 2.000 chu kỳ, cho thấy độ bền đáng kể.
Đây là nghiên cứu đầu tiên liên kết trực tiếp cách phân bố pha beta, ảnh hưởng đến chuyển động của lithium bên trong hợp kim, nhóm nghiên cứu cho biết. Nghiên cứu này cung cấp lộ trình rõ ràng để phát triển vật liệu điện cực tốt hơn, kết hợp giữa tốc độ, độ ổn định và hiệu suất.
Pin thể rắn đang được xem là tương lai của xe điện và thiết bị điện tử di động vì chúng sử dụng chất điện phân bằng vật liệu rắn, có thể thay thế cho chất điện phân dạng lỏng, dễ cháy thường thấy trong pin lithium-ion ngày nay.
Điều này làm cho pin thể rắn an toàn hơn, nhỏ gọn hơn, có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất là thiết kế các điện cực có thể chịu được việc sạc và xả lặp đi, lặp lại mà không bị suy giảm chất lượng.
Bằng cách khám phá cách khai thác pha beta của hợp kim lithium-nhôm, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego tìm ra cách khắc phục hạn chế này. Khám phá này có thể đưa pin thể rắn đến gần hơn với ứng dụng thương mại, cho phép xe điện sạc trong vài phút và sử dụng được lâu hơn.
