Nhu cầu về pin nhanh hơn, mỏng hơn và rẻ hơn đang bùng nổ. Chúng ta muốn xe điện đi được xa hơn, thiết bị điện tử bền hơn, sạc nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Hiện nay, pin lithium-ion (LIB) đang là tiêu chuẩn. Nhưng sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, công nghệ này đang tiến gần đến giới hạn của nó.
Pin lithium-lưu huỳnh (Li-S) là công nghệ thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn. Chúng lưu trữ năng lượng nhiều hơn so với LIB tính theo trọng lượng và làm từ vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Nhưng vấn đề nằm ở chỗ pin Li-S hiện tại chiếm diện tích lớn hơn khoảng 1,5 - 2,0 lần so với LIB. Nói cách khác, dung tích thể tích của chúng thấp hơn nhiều.
Đó là một trở ngại rất lớn vì trong nhiều ứng dụng thực tế, không gian quan trọng hơn trọng lượng. Từ thiết bị điện tử di động, xe điện đến hệ thống lưu trữ năng lượng, từng centimet không gian đều rất quan trọng.
Thách thức chính với pin Li-S là ở bên trong cực âm lưu huỳnh, các phản ứng điện hóa diễn ra chậm và các ion lithium di chuyển chậm qua cấu trúc vi mô bên trong. Để bù lại, các nhà nghiên cứu thường làm cho cực âm lưu huỳnh xốp hơn để “làm đầy” hệ thống, tạo không gian rộng rãi cho các ion di chuyển. Tuy nhiên, không gian bổ sung này lại làm cho điện cực dày hơn.
Hiện nay, pin LIB là tiêu chuẩn vàng về lượng năng lượng có thể tích trữ trong một thể tích nhất định. Chúng nhỏ gọn vì hai lý do. Thứ nhất, vật liệu của chúng vốn dĩ đặc hơn. Thứ hai, điện cực của LIB có thể được làm đặc và nén lại bằng một quy trình gọi là cán ép.
Tuy nhiên, cực âm lưu huỳnh không phản ứng tốt với phương pháp xử lý bằng quy trình cán ép này. Bằng cách nén các lỗ rỗng giữa các hạt, sẽ làm giảm không gian cho các ion di chuyển. Càng nén chặt cực âm lưu huỳnh, hiệu suất của chúng càng giảm.
Một nghiên cứu gần đây, công bố trên tạp chí Small Structures, các nhà nghiên cứu chứng minh cực âm lưu huỳnh có thể làm mỏng hơn mà không làm giảm hiệu suất. Thay vì dựa vào các lỗ rỗng ngẫu nhiên bên trong cực âm, nhóm nghiên cứu đặt câu hỏi, liệu có thể làm cho cực âm lưu huỳnh nhỏ gọn hơn mà vẫn duy trì khả năng vận chuyển ion nhanh?
Giải pháp của nhóm nghiên cứu là xem xét lại vai trò của chất kết dính. Thay vì coi nó như một thành phần trơ, chỉ có chức năng giữ cho cực âm liên kết với nhau, họ sử dụng nó như một khuôn mẫu cấu trúc. Họ nhận thấy, bằng cách tạo khuôn mẫu các kênh siêu nhỏ bên trong cực âm được nén chặt và cán mỏng, có thể duy trì không gian cho các ion di chuyển.
Các đường dẫn được thiết kế sẵn này bảo toàn không gian cho các ion di chuyển, nhưng các vật liệu lại được sắp xếp chặt chẽ. Nói cách khác, nhóm nghiên cứu tạo ra các đường rộng rãi, thông thoáng để các ion di chuyển dễ dàng, trong khi mọi thứ khác được sắp xếp chặt chẽ với nhau.
Câu hỏi tiếp theo là có thể giải quyết vấn đề này bằng cách dùng các vật liệu rẻ tiền, có sẵn mà không cần đến các khâu sản xuất phức tạp? Nguồn cảm hứng bất ngờ đến từ món trứng. Khi lòng trắng trứng được đánh bọt, chúng giữ không khí bằng mạng lưới bọt khí tinh tế. Nhóm nghiên cứu suy nghĩ, liệu các bọt khí này có thể trở thành đường cao tốc cho các ion?
Để kiểm chứng ý tưởng này, nhóm nghiên cứu cố gắng tái tạo phản ứng này từ nhà bếp chuyển sang phòng thí nghiệm. Bằng cách đánh bọt một dẫn xuất cellulose với một loại protein hình cầu, tương tự như protein có trong lòng trắng trứng, họ đã tạo ra một loại bọt mịn như nhung.
Khi protein thoát ra, nó để lộ phần bên trong kỵ nước, phần này sẽ hấp thụ tại giao diện không khí-nước, làm giảm sức căng bề mặt và giữ lại các bọt khí nhỏ (kích thước micromet). Nhóm nghiên cứu đã thiết kế “chất kết dính dạng bọt protein” để có độ bền cao, đàn hồi và kết dính tốt, lý tưởng cho pin.
Các nhà nghiên cứu trộn loại bọt này với lưu huỳnh và carbon để tạo thành loại mực đặc và phủ lên bộ thu dòng điện. Khi khô, các bọt khí vỡ ra, và do mực có độ nhớt cao, nó để lại các kênh hình trụ hẹp. Sau đó, họ cán mỏng các cực âm này. Ngay cả sau khi nén mạnh, làm cho các cực âm mỏng đi gần ba lần, các kênh vẫn còn nguyên vẹn!
Khi nhóm nghiên cứu lắp ráp các cực âm này vào bộ pin Li-S hoàn chỉnh, hiệu suất trên thể tích đã tăng gấp đôi. Điều khiến họ ngạc nhiên là tốc độ sạc và xả của chúng. Chỉ trong 15 phút, pin Li-S cải tiến này vẫn cung cấp dung lượng cao, điều mà các pin Li-S thông thường khó làm được.
Công trình nghiên cứu này đặc biệt thú vị vì nó cung cấp một giải pháp an toàn, giá cả phải chăng và thân thiện với môi trường. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh pin không cần phải lựa chọn giữa sự nhỏ gọn và khả năng sạc nhanh, mà chúng có thể làm cả hai. Điều này đưa pin Li-S tiến thêm một bước phát triển đáng kể.
