Pin thể rắn là một công nghệ pin thế hệ mới, được xem là có thể thay thế cho pin lithium-ion hiện nay. Khác với pin lithium-ion thông thường sử dụng chất điện phân dạng lỏng, pin thể rắn sử dụng chất điện phân dạng rắn để di chuyển các ion lithium giữa các điện cực của pin.
Thiết kế này giúp cải thiện độ an toàn vì chất điện phân dạng rắn ít có khả năng bắt lửa hơn. Pin thể rắn cũng có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn, hỗ trợ xe điện đi được quãng đường xa hơn chỉ với một lần sạc.
Tuy nhiên, có một vấn đề lớn đã làm chậm sự phát triển của pin thể rắn. Đó là chất điện phân rắn có thể phản ứng hóa học với vật liệu ở cực âm bên trong pin. Theo thời gian, các phản ứng có hại này sẽ làm hỏng pin và giảm tuổi thọ của nó.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu từ Đại học Hanyang đã thử nghiệm lớp phủ bảo vệ cực mỏng đặt trên bề mặt cực âm. Lớp phủ này hoạt động như một lớp chắn, ngăn sự tiếp xúc trực tiếp giữa cực âm và chất điện phân, trong khi vẫn cho phép các ion lithium di chuyển qua.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy, các lớp phủ này phải mỏng hơn 5 nanomet để hoạt động hiệu quả. Một nanomet bằng một phần tỉ của mét. Nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết độ dày tối thiểu cần thiết để bảo vệ pin một cách hiệu quả.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Energy Storage Materials, mô tả nhóm nghiên cứu Hàn Quốc phân tích vấn đề này một cách chi tiết. Các nhà nghiên cứu sử dụng một vật liệu bảo vệ gọi là lithium niobium oxide (LNO) và phủ nó lên vật liệu cực âm phổ biến gọi là NCM811.
Sử dụng phương pháp chế tạo có độ chính xác cao gọi là lắng đọng lớp nguyên tử, họ tạo ra các lớp phủ dày 1 nanomet; 2,5 nanomet và 5 nanomet. Kết quả cho thấy, lớp phủ mỏng nhất, dày 1 nanomet, đem lại dung lượng pin ban đầu cao nhất, nghĩa là nó cho phép pin lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiều hơn một chút ngay từ đầu.
Tuy nhiên, các lớp phủ dày hơn hoạt động tốt hơn nhiều theo thời gian. Pin dùng lớp phủ 2,5 nanomet và 5 nanomet có tuổi thọ cao hơn khoảng 28% so với pin dùng lớp phủ 1 nanomet. Các phân tích vi mô và hóa học cho thấy, các phản ứng phụ có hại chỉ bị ngăn chặn hiệu quả khi lớp phủ đạt độ dày ít nhất 2,5 nanomet.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện, lớp phủ 1 nanomet tạo ra điện trở cao hơn nhiều đối với sự di chuyển của ion lithium bên trong pin. Trong khi đó, pin không có lớp phủ bảo vệ nào hoạt động kém hơn nhiều và tuổi thọ ngắn hơn nhiều.
Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện này cung cấp một hiểu biết thực tiễn cho việc thiết kế pin thể rắn trong tương lai. Việc biết được độ dày tối thiểu của lớp phủ hiệu quả, có thể giúp các công ty chế tạo pin thể rắn bền hơn cho xe điện và các ứng dụng lưu trữ năng lượng khác.
