Nghiên cứu này mô tả chi tiết loại pin kim loại lithium không cực dương, giúp tăng gần gấp đôi mật độ năng lượng mà không làm tăng kích thước pin. Mật độ năng lượng thể tích rất quan trọng vì nó xác định lượng năng lượng có thể lưu trữ trong một thể tích pin cố định, yếu tố quan trọng trong thiết kế xe.
Đột phá này thực hiện bởi các nhà khoa học từ POSTECH, KAIST, Đại học quốc gia Gyeongsang (Hàn Quốc), dẫn đầu bởi Giáo sư Soojin Park, Tiến sĩ Dong-Yeob Han tại POSTECH. Với mật độ năng lượng thể tích là 1.270 Wh/L, gần gấp đôi so với khoảng 650 Wh/L mà pin lithium-ion đang dùng trong xe điện, loại pin mới có thể giúp mở rộng đáng kể phạm vi hoạt động của xe điện.
Các nhà nghiên cứu đạt được cột mốc này, bằng cách sử dụng cấu trúc pin kim loại lithium không có cực dương. Trong thiết kế này, cực dương than chì truyền thống được loại bỏ hoàn toàn. Thay vào đó, các ion lithium được lưu trữ trong cực âm, di chuyển trong quá trình sạc và lắng đọng trực tiếp lên bộ thu dòng điện bằng đồng.
Việc loại bỏ cực dương giúp giải phóng không gian bên trong, cho phép chứa nhiều vật liệu hoạt tính hơn trong cùng một thể tích. Khái niệm này tương tự như việc chứa nhiều nhiên liệu hơn vào cùng một bình chứa có kích thước tương đương mà không cần mở rộng bình.
Mặc dù đầy hứa hẹn, pin kim loại lithium không có cực dương từ lâu phải đối mặt với các rào cản kỹ thuật. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự phân bố lithium không đồng đều trong quá trình sạc. Khi lithium phân bố không đều, nó có thể tạo ra các dendrite, là cấu trúc nhánh cây sắc nhọn, giống như kim, có thể xuyên thủng vách ngăn bên trong, gây ra đoản mạch.
Sự suy giảm hiệu suất pin là một lo ngại khác. Việc sạc và xả lặp đi lặp lại, có thể làm hỏng bề mặt lithium, làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ pin một cách nhanh chóng. Những vấn đề này gây khó khăn trong việc kết hợp mật độ năng lượng cao, tuổi thọ chu kỳ dài và độ an toàn trong các pin thực tế.
Để khắc phục các hạn chế này, nhóm nghiên cứu phát triển phương pháp kết hợp, sử dụng chất nền thuận nghịch (Reversible Host - RH) và chất điện phân thiết kế (Designed Electrolyte - DEL). Chất nền thuận nghịch là một khung polymer được nhúng các hạt nano bạc phân bố đồng đều.
Các hạt nano này hướng dẫn lithium lắng đọng tại các vị trí cụ thể, khuyến khích sự phát triển đồng đều thay vì tích tụ ngẫu nhiên. Cấu trúc này cung cấp hiệu quả các vị trí được xác định trước để lithium lắng đọng trong quá trình sạc.
Chất điện phân được thiết kế bổ sung thêm lớp bảo vệ. Nó tạo thành lớp bề mặt ổn định bao gồm Li₂O và Li₃N trên kim loại lithium. Lớp này ngăn chặn sự hình thành dendrite, đồng thời vẫn để các ion lithium di chuyển hiệu quả. Cả hai thành phần này cùng nhau ổn định sự lắng đọng lithium và bảo vệ pin trong quá trình hoạt động lặp đi lặp lại.
Với sự kết hợp của RH và DEL, pin mang lại hiệu suất mạnh mẽ trong điều kiện khắc nghiệt. Với dung lượng diện tích cao 4,6 mAh cm⁻² và mật độ dòng điện 2,3 mA cm⁻², pin vẫn giữ được 81,9% dung lượng ban đầu sau 100 chu kỳ. Nó cũng đạt hiệu suất Coulomb trung bình 99,6%. Những kết quả này cho phép đạt mật độ năng lượng thể tích kỷ lục là 1.270 Wh/L.
Điều quan trọng, nhóm nghiên cứu đã kiểm chứng hệ thống trong pin dạng túi, loại pin này gần giống với pin sử dụng trong xe điện. Hệ thống hoạt động ổn định ngay cả với hàm lượng chất điện giải rất thấp và áp suất xếp chồng thấp. Điều này cho thấy pin có thể nhẹ hơn, quy trình sản xuất đơn giản hơn và tính khả thi thương mại được cải thiện.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
