Các nhà nghiên cứu tại Trường kỹ thuật phân tử Pritzker (PME) thuộc Đại học Chicago sử dụng quy trình nghiền một bước để đánh giá tính phù hợp của lưu huỳnh trong việc chế tạo pin thể rắn. Nguyên tố dồi dào, giá rẻ này có dung lượng lý thuyết cao, nhưng vẫn chưa được sử dụng ở quy mô lớn.
Sự mở rộng phát triển xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, dự kiến sẽ thúc đẩy nhu cầu về pin lithium-ion tăng cao. Chi phí ngày càng tăng của lithium và các thành phần khác, như coban trong pin lithium-ion, có thể trở thành trở ngại lớn trong quá trình chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch.
Ngược lại, lưu huỳnh dồi dào hơn và là vật liệu giá rẻ để sử dụng trong pin. Việc sử dụng rộng rãi lưu huỳnh bị hạn chế bởi bản chất cách điện và độ dẫn điện tử không đáng kể của nó. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tin rằng, có thể thay đổi điều này và làm cho lưu huỳnh hữu ích hơn trong pin thể rắn.
Các nhà sản xuất xe điện rất muốn chuyển sang sử dụng pin thể rắn do tính an toàn vượt trội của chúng. Không giống như pin lithium-ion với chất điện phân dạng lỏng, có thể bốc cháy trong trường hợp xảy ra tai nạn, pin thể rắn chứa chất điện phân không bắt lửa, do đó an toàn hơn.
Pin thể rắn gốc lưu huỳnh gồm ba thành phần chính: chất điện phân thể rắn, carbon dẫn điện và vật liệu hoạt tính lưu huỳnh. Bên trong pin, ba thành phần này tồn tại ở dạng bột, được trộn bằng tay hoặc nghiền riêng biệt rồi kết hợp lại.
Cả hai phương pháp này đều không chỉ tốn thời gian mà còn kém hiệu quả, vì các hạt lưu huỳnh và chất điện phân không tiếp xúc gần nhau. Điều này dẫn đến tỉ lệ sử dụng thấp, do đó làm giảm hiệu suất của pin.
Các nhà nghiên cứu tại PME của Đại học Chicago phát triển quy trình nghiền một bước, trong đó cả ba thành phần được nghiền thành bột cùng nhau, tạo ra lớp giao diện không ổn định, giúp thúc đẩy phản ứng của chất điện phân với vật liệu lưu huỳnh ở cực âm, cải thiện hiệu suất pin.
Trong thiết lập của họ, cực âm composite gốc lưu huỳnh cho dung lượng phóng điện riêng khoảng 1.500 miliampe giờ (mAh) trên mỗi gram, gần với mức dung lượng lý thuyết tối đa là 1.675 mAh trên mỗi gram đối với lưu huỳnh.
Nhưng nhóm nghiên cứu không chỉ giải quyết vấn đề đó, mà còn khắc phục “sự giãn nở”, nơi mà vật liệu giãn nở và co lại trong các chu kỳ sạc-xả của pin. Điều đáng ngạc nhiên là lưu huỳnh hoạt động hoàn toàn ngược lại với các vật liệu khác thường sử dụng, trong khi chúng co lại thì lưu huỳnh giãn nở và ngược lại.
Vì vậy, nhóm nghiên cứu ghép một điện cực âm bằng silicon với một điện cực dương bằng lithium sulfide, trong đó một phía của pin giãn nở, trong khi phía kia co lại, bù trừ cho nhau, làm giảm sự thay đổi tổng thể về độ dày của chồng vật liệu. Kết quả nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Communications.
