Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, từ lâu đã nghiên cứu các thành phần hóa học và vật liệu trong pin lithium-ion. Bên trong pin này, có lớp mỏng ngăn cách các điện cực, tức là nơi mà dòng điện chạy qua. Nếu lớp này bị hỏng, các điện cực có thể chạm vào nhau, khiến chất điện phân lỏng phát nhiệt, pin sẽ bốc cháy.
Một thí nghiệm thú vị tại nhà đã dẫn Gabriel Veith, nhà nghiên cứu tại ORNL, đến một bước đột phá về an toàn pin. Nguồn cảm hứng của Gabriel Veith đến từ việc chơi với các con và hỗn hợp gồm bột ngô và nước, gọi là oobleck. Hỗn hợp này hoạt động như chất lỏng cho đến khi có áp suất tác động, sau đó đông đặc lại, trước khi trở lại trạng thái lỏng.
Veith nhận ra đặc tính thuận nghịch này, có thể sử dụng để tạo ra chất phụ gia bảo vệ, có khả năng đông cứng ngay lập tức khi bị va chạm, giúp giảm đáng kể nguy cơ cháy nổ trong pin lithium-ion. Lấy cảm hứng từ đặc tính của oobleck, Gabriel Veith và nhóm của ông đặt mục tiêu làm cho pin lithium-ion an toàn hơn, bằng cách bổ sung vật liệu chống va đập vào chất điện phân.
Phụ gia này sẽ đông cứng ngay lập tức khi pin bị va đập, giúp các điện cực không chạm vào nhau nếu pin bị rơi hoặc hư hỏng. Khi các điện cực giữ tách biệt, pin sẽ không bắt lửa. Hơn nữa, phụ gia này có thể được tích hợp mà không cần thay đổi nhiều trong quy trình sản xuất pin hiện tại.
Hiệu quả an toàn đến từ loại keo, một hỗn hợp các hạt rắn nhỏ li ti trong chất lỏng. Đối với pin, nhóm của Veith sử dụng các hạt silica lơ lửng trong chất điện phân tiêu chuẩn. Khi va chạm, các hạt này kết tụ với nhau, chặn dòng chảy của chất lỏng và ion. Nhóm nghiên cứu sử dụng các hạt silica hình cầu hoàn hảo, chỉ 200 nanomet, về cơ bản là cát siêu mịn, để đạt được hiệu quả này.
Như Gabriel Veith giải thích, kích thước đồng đều của các hạt silica là rất quan trọng: khi các hạt đồng đều, chúng sẽ phân tán đều trong chất điện phân, cho phép phụ gia đông đặc hiệu quả khi va chạm. Nếu kích thước các hạt khác nhau, chất điện phân vẫn còn quá lỏng, hiệu quả bảo vệ sẽ mất đi.
Để hiểu cách vật liệu phản ứng dưới ứng suất, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp tán xạ neutron tại ORNL. Bước đột phá này dựa trên đội ngũ đa ngành, đa lĩnh vực, gồm các kỹ sư điện hóa, chuyên gia cơ khí, chuyên gia kiểm tra vật liệu… Chuyên môn kết hợp của họ giúp thiết kế và thử nghiệm công nghệ chống va đập độc đáo này của pin.
Trong bước tiến lớn hướng tới thương mại hóa, ORNL cấp phép cho năm công nghệ được cấp bằng sáng chế, được gọi là Chất điện phân an toàn chống va đập (SAFIRE), cho công ty khởi nghiệp về pin Safire Technology Group. Công ty mở rộng hoạt động R&D tại Tennessee, tập trung vào việc đưa công nghệ này ra thị trường cho xe điện, ứng dụng quốc phòng và máy bay cất hạ cánh thẳng đứng chạy bằng điện (eVTOL).
