Pin lithium-ion sử dụng khá phổ biến trong các thiết bị điện tử và xe điện. Các nhà nghiên cứu tin rằng, pin gốc silicon có thể là giải pháp thay thế tốt hơn cho pin gốc graphite (than chì). Lý do là than chì không đủ khả năng lưu trữ năng lượng, trong khi silicon có thể lưu trữ nhiều ion lithium hơn gần mười lần. Do đó, silicon có thể là vật liệu anode thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu từ POSTECH và Đại học Sogang, Hàn Quốc cho biết, nhược điểm chính của silicon là sự giãn nở và co lại đáng kể về thể tích trong quá trình sạc và xả, phồng lên gấp ba lần kích thước ban đầu. Sự giãn nở và co lại liên tục này gây ra các khoảng hở cơ học giữa điện cực và chất điện phân, làm giảm nhanh hiệu suất của pin.
Các nhà nghiên cứu giải quyết vấn đề này bằng cách thay thế chất điện phân dạng lỏng bằng chất điện phân dạng rắn hoặc bán rắn (QSSE), có độ an toàn và ổn định tốt hơn. Nhưng QSSE vẫn khó khăn trong việc duy trì tiếp xúc hoàn toàn với silicon đang giãn nở và co lại, dẫn đến vấn đề tiếp xúc không ổn định giữa điện cực và chất điện phân, làm giảm hiệu suất theo thời gian.
Họ nghiên cứu ra hệ thống điện cực-chất điện phân (IEE) liên kết tại chỗ, tạo thành liên kết cộng hóa trị giữa điện cực và chất điện phân, để thiết lập kết nối mạnh mẽ, duy trì tiếp xúc điện cực-chất điện phân ổn định. Hệ thống IEE liên kết hai thứ thành một cấu trúc vướng víu về mặt hóa học, giống như các viên gạch được giữ chặt với nhau bằng vữa cứng, do đó chúng vẫn kết nối chặt chẽ ngay cả khi chịu ứng suất cơ học mạnh.
Các thử nghiệm hiệu suất cho thấy khác biệt rõ rệt: trong khi pin thông thường mất dung lượng chỉ sau vài chu kỳ sạc-xả, còn pin sử dụng thiết kế IEE vẫn duy trì độ ổn định lâu dài. Đáng chú ý nhất, pin túi dựa trên IEE chứng minh mật độ năng lượng là 403,7 Wh/kg và 1.300 Wh/L, thể hiện mật độ năng lượng theo trọng lượng lớn hơn 60% và mật độ năng lượng theo thể tích gần gấp đôi so với pin lithium-ion thông thường.
Các nhà nghiên cứu cho hay, chiến lược điện cực-chất điện phân liên kết tại chỗ là công nghệ quan trọng có thể đẩy nhanh việc thương mại hóa pin gốc silicon bằng cách tăng cường đáng kể độ ổn định của giao diện. Về mặt thực tế, điều này giúp xe điện di chuyển xa hơn và điện thoại thông minh hoạt động lâu hơn.
Nghiên cứu này giải quyết những hạn chế của chất điện phân dạng lỏng và QSSE, được chứng minh bằng độ trễ điện áp thấp trong các đỉnh (de)lithiation trong hơn 200 chu kỳ, điện trở giao diện ổn định trong suốt chu kỳ và không hình thành lỗ rỗng.
Theo nghiên cứu, bộ dụng cụ phát hiện áp suất xác nhận thêm rằng, hệ thống IEE thể hiện các thay đổi áp suất thấp hơn trong quá trình tuần hoàn mà không có bất kỳ biến động điện áp nào do mất tiếp xúc. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Science.
