Phương pháp mới làm đặc chất điện phân, giúp pin thể rắn bền bỉ hơn

Các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer (PSI) đã đạt được bước đột phá trên lộ trình đưa pin lithium kim loại thể rắn hoàn toàn vào ứng dụng thực tế. Đây được xem là pin thế hệ tiếp theo, có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn, an toàn hơn khi vận hành và sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion thông thường.

Pin thể rắn hoàn toàn được coi là giải pháp đầy hứa hẹn, dùng cho xe điện, thiết bị điện tử di động và lưu trữ năng lượng cố định, một phần vì chúng không dùng chất điện phân dạng lỏng, dễ cháy, do đó an toàn hơn so với pin lithium-ion thông thường.

Tuy nhiên, có hai trở ngại chính với loại pin này. Thứ nhất, sự hình thành các gai (dendrite) lithium ở cực dương. Đây là cấu trúc sắc nhọn, có thể xuyên qua chất điện phân rắn, lan truyền về phía cực âm, dẫn đến đoản mạch bên trong. Thứ hai, sự mất ổn định điện hóa, tại giao diện giữa cực dương lithium kim loại và chất điện phân rắn, có thể làm giảm hiệu suất của pin.

Để khắc phục hai vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại PSI, phát triển quy trình sản xuất mới. Họ kết hợp hai phương pháp, cùng nhau, vừa làm đặc chất điện phân, vừa ổn định giao diện với lithium. Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả này trên tạp chí Advanced Science.

Trọng tâm trong nghiên cứu của PSI là loại argyrodite Li₆PS₅Cl (LPSCl), chất điện phân rắn gốc sunfua được làm từ lithium, phốt pho và lưu huỳnh. Khoáng chất này thể hiện độ dẫn ion lithium cao, cho phép vận chuyển ion nhanh chóng bên trong pin, điều kiện quan trọng cho hiệu suất cao và quy trình sạc hiệu quả.

Điều này làm cho chất điện phân dựa trên argyrodite trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho pin thể rắn. Tuy nhiên, cho đến nay, việc ứng dụng vẫn gặp khó khăn trong việc nén chặt vật liệu, đủ để ngăn chặn sự hình thành các lỗ rỗng mà các dendrite lithium có thể xâm nhập.

Để làm đặc chất điện phân rắn, nhóm nghiên cứu dựa vào một trong hai phương pháp: dùng áp suất rất cao để nén vật liệu ở nhiệt độ phòng hoặc dùng quy trình kết hợp áp suất với nhiệt độ vượt quá 400⁰C. Trong cách thứ hai, được gọi là nung kết cổ điển, việc áp dụng nhiệt và áp suất khiến các hạt kết dính lại thành cấu trúc đặc hơn.

Tuy nhiên, cả hai cách đều có thể dẫn đến tác dụng phụ không mong muốn: Nén ở nhiệt độ phòng là không đủ vì nó tạo ra cấu trúc vi mô xốp và sự phát triển hạt quá mức. Còn xử lý ở nhiệt độ rất cao tiềm ẩn nguy cơ phá vỡ chất điện phân rắn. Do đó, nhóm nghiên cứu của PSI theo đuổi một phương pháp mới để có chất điện phân bền vững và giao diện ổn định.

Để nén chặt argyrodite thành chất điện phân đồng nhất, nhóm nghiên cứu kết hợp yếu tố nhiệt độ, nhưng theo cách cẩn thận hơn. Thay vì quy trình nung kết cổ điển, họ chọn phương pháp nhẹ nhàng hơn, trong đó khoáng chất được nén dưới áp suất vừa phải và ở nhiệt độ vừa phải, chỉ khoảng 80⁰C.

Quá trình nung kết nhẹ nhàng này đã cho thấy sự thành công. Nhiệt độ và áp suất vừa phải, đảm bảo các hạt tự sắp xếp theo mong muốn mà không làm thay đổi tính ổn định hóa học của vật liệu.

Các hạt trong khoáng chất tạo thành liên kết chặt chẽ với nhau, các vùng xốp trở nên đặc hơn và các khoang nhỏ đóng lại. Kết quả là một cấu trúc vi mô đặc, chắc, có khả năng chống lại sự xâm nhập các dendrite lithium. Ngay ở dạng này, chất điện phân rắn đã lý tưởng cho việc vận chuyển ion lithium nhanh chóng.

Tuy nhiên, chỉ nung kết nhẹ nhàng thôi là chưa đủ. Để hoạt động đáng tin cậy ngay cả ở dòng điện cao, chẳng hạn như quá trình sạc và xả nhanh, pin thể rắn hoàn toàn cần phải tinh chỉnh thêm. Để phục vụ điều này, một lớp phủ lithium fluoride (LiF), chỉ dày 65 nanomet, được bay hơi trong chân không và phủ đều lên bề mặt lithium, đóng vai trò như lớp thụ động siêu mỏng tại giao diện giữa cực dương và chất điện phân rắn.

Lớp trung gian này thực hiện hai chức năng: Một mặt, nó làm giảm sự phân hủy điện hóa của chất điện phân rắn khi tiếp xúc với lithium, từ đó ngăn chặn sự hình thành lithium “chết”, không hoạt động. Mặt khác, nó hoạt động như rào cản vật lý, ngăn chặn sự xâm nhập các dendrite lithium vào chất điện phân rắn.

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với pin cúc áo, pin này thể hiện hiệu suất vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt. Sau 1.500 chu kỳ sạc và xả, pin vẫn giữ được khoảng 75% dung lượng ban đầu. Điều này có nghĩa là 3/4 ion lithium vẫn đang di chuyển từ cực âm sang cực dương.

Như vậy, nhóm nghiên cứu của PSI đã lần đầu tiên chứng minh sự kết hợp giữa quá trình nung kết nhẹ chất điện phân rắn và lớp thụ động mỏng trên cực dương lithium có hiệu quả trong việc ngăn chặn sự hình thành dendrite và sự mất ổn định giao diện, hai trong số các thách thức dai dẳng nhất trong pin thể rắn hoàn toàn.

Giải pháp kết hợp này đánh dấu bước tiến quan trọng trong nghiên cứu pin thể rắn hoàn toàn, đặc biệt là lợi ích về mặt sinh thái và kinh tế. Do thực hiện ở nhiệt độ thấp, quy trình này tiết kiệm năng lượng nên tiết kiệm chi phí. Cách tiếp cận này là giải pháp thiết thực cho việc sản xuất công nghiệp pin thể rắn hoàn toàn dựa trên argyrodite.