Các nhánh tinh thể (gọi là dendrite) lithium hình thành bên trong pin, trong quá trình sạc/xả, từ lâu được biết đến là nguyên nhân gây ra đoản mạch và cháy nổ. Cấu trúc nhỏ bé này, có dạng sắc nhọn như kim, có thể xuyên qua lớp ngăn cách và chất điện phân, dẫn đến hỏng hóc bên trong.
Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Đại học Houston phát hiện, các dendrite lithium bên trong pin không mềm như mọi người vẫn nghĩ, mà có cấu trúc giòn, cứng, có khả năng gây hư hỏng nghiêm trọng. Quan sát cho thấy, các dendrite có độ bền cơ học cao, dễ bị vỡ, giống thủy tinh hơn là kim loại.
Phát hiện này thách thức một giả định tồn tại hàng thập kỷ trong khoa học về pin, rằng lithium mềm, dẻo, có thể dễ dàng bị ức chế bởi chất điện phân thể rắn. Thay vào đó, nghiên cứu cho thấy các dendrite có thể hoạt động như chiếc kim cứng, đâm xuyên các thành phần bên trong pin.
Nhóm nghiên cứu đã trực tiếp quan sát hành vi này, bằng cách quay lại hình ảnh thời gian thực về sự hình thành và gãy vỡ các nhánh dendrite bên trong một pin thể rắn đang hoạt động, mang đến cái nhìn hiếm hoi về cách các cấu trúc này hoạt động trong điều kiện sử dụng.
Các nhánh dendrite hình thành dưới dạng cấu trúc tinh thể siêu nhỏ, chỉ rộng vài trăm nanomet, nhỏ hơn sợi tóc người hơn 100 lần. Mặc dù có kích thước nhỏ bé, nhưng chúng có thể xuyên qua lớp ngăn cách và chất điện phân, dẫn đến hỏng hóc bên trong pin, gây ra đoản mạch và cháy nổ.
Theo nghiên cứu, độ cứng của chúng đến từ lõi lithium đơn tinh thể ở kích thước nano, được gia tăng hơn nữa bởi lớp phủ bề mặt hình thành trong quá trình hoạt động. Sự kết hợp này cho phép các dendrite duy trì cấu trúc ổn định khi chúng phát triển, làm tăng nguy cơ phá vỡ các lớp bảo vệ bên trong pin.
Các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quét operando để quay phim quá trình gãy vỡ các nhánh tinh thể theo thời gian thực. Điều này cần một buồng kín chuyên dụng được phát triển tại Đại học Houston, cho phép quan sát bên trong pin đang hoạt động mà không bị nhiễu.
Những phát hiện này cũng thấy cách thức hình thành các nhánh dendrite và lý do tại sao chúng luôn gây rủi ro cao về mặt an toàn cho pin. Các nhánh dendrite lithium có thể hình thành vì một số lý do, trong đó có sạc nhanh và nhiệt độ thấp.
Việc trực quan hóa hành vi các dendrite, đem đến cái nhìn mới về lý do tại sao pin thể rắn, thường được coi là lựa chọn an toàn hơn, vẫn phải đối mặt với thách thức về độ tin cậy. Phát hiện này cho thấy, chỉ dựa vào chất điện phân thể rắn có thể không đủ để ngăn chặn sự xâm nhập của dendrite.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu chỉ ra các phương pháp tiếp cận khác, chẳng hạn như sử dụng cực dương hợp kim lithium, có thể làm giảm khả năng gãy giòn. Hiểu được các đặc tính cơ học của dendrite, cũng có thể giúp các kỹ sư thiết kế vật liệu có khả năng chống xuyên thủng tốt hơn.
Nghiên cứu này dựa trên công trình nghiên cứu trước đó của nhóm về pin thể rắn suy giảm hiệu suất theo thời gian. Nhìn chung, phát hiện này có thể giúp cải thiện độ an toàn và tuổi thọ của các pin sử dụng trong xe điện, thiết bị điện tử và các ứng dụng lưu trữ ở quy mô lưới điện. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.
