Bằng cách thêm lớp phủ polymer cực mỏng - mỏng hơn hàng nghìn lần so với sợi tóc người - lên bề mặt pin, các nhà nghiên cứu đã kéo dài đáng kể tuổi thọ pin lithium kim loại không cực dương, công nghệ được coi là bước đột phá cho xe điện, máy bay không người lái và lưu trữ năng lượng.
Phát hiện đột phá này đến từ các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) do Giáo sư Jinwoo Lee và Giáo sư Sung Gap Im dẫn đầu. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule.
Pin lithium kim loại không có cực dương hấp dẫn bởi thiết kế đơn giản của chúng. Thay vì sử dụng cực dương bằng than chì truyền thống, chúng dựa vào bề mặt đồng trơn. Trong quá trình sạc, lithium kim loại hình thành trực tiếp trên đồng này.
Giải pháp này có thể tăng mật độ năng lượng lên 30 - 50% so với pin lithium-ion hiện nay, đồng thời giảm độ phức tạp và chi phí sản xuất. Tuy nhiên, sự đơn giản này lại có nhược điểm lớn. Khi lithium lần đầu tiên lắng đọng trên bề mặt đồng trần, nó phản ứng mạnh với chất điện phân lỏng.
Điều này dẫn đến chất điện phân hao hụt nhanh chóng và hình thành một lớp không ổn định, gọi là lớp giao diện điện phân rắn (SEI). Theo thời gian, sự không ổn định này gây ra lithium tích tụ không đồng đều và sự phát triển cấu trúc sắc nhọn (dendrite), làm giảm tuổi thọ và có thể dẫn đến hỏng pin.
Cho đến nay, hầu hết nỗ lực để khắc phục vấn đề này đều tập trung vào việc thay đổi chính chất điện phân. Nhóm nghiên cứu của KAIST tiếp cận theo cách khác. Thay vì liên tục điều chỉnh lại chất điện phân lỏng, họ đã thiết kế lại bề mặt điện cực, nơi bắt đầu xảy ra hư hỏng.
Sử dụng kỹ thuật gọi là lắng đọng hơi hóa học khởi phát, các nhà nghiên cứu đã phủ lên bề mặt đồng một lớp màng polymer đồng nhất, chỉ dày 15 nanomet. Lớp phủ cực mỏng này làm thay đổi một cách tinh tế cách chất điện phân hoạt động tại giao diện.
Thay vì để cho các phân tử dung môi phân hủy và tạo thành lớp SEI yếu, không ổn định, lớp polymer khuyến khích sự phân hủy các thành phần muối trong chất điện phân. Điều này dẫn đến sự hình thành một lớp SEI vô cơ mạnh mẽ, bảo vệ điện cực.
Các công cụ tiên tiến như quang phổ Raman theo thời gian thực và mô phỏng động lực học phân tử đã cho thấy những gì xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Lớp polymer tạo ra môi trường giàu ion mang điện tích âm gần bề mặt, giúp các ion lithium lắng đọng đồng đều và ngăn ngừa các phản ứng mất kiểm soát.
Kết quả là lithium kim loại phát triển mượt mà hơn, lượng chất điện phân hao hụt giảm đi và pin có thể hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài hơn.
Một trong những khía cạnh hứa hẹn nhất của khám phá này là tính thực tiễn. Cách tiếp cận này không yêu cầu chất điện phân mới hoặc vật liệu đắt tiền. Quy trình phủ phù hợp với dây chuyền sản xuất pin hiện có và có thể mở rộng quy mô, giúp nó trở nên khả thi cho các ứng dụng thực tế, cung cấp năng lượng cho xe điện thế hệ tiếp theo và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
