Các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), công bố công nghệ pin lithium-kim loại mới, đánh dấu bước tiến đáng kể giải quyết một trong những vấn đề khó khăn nhất của pin thế hệ mới, có thể giúp xe điện tiến gần hơn đến khả năng sạc siêu nhanh và phạm vi hoạt động xa hơn.
Khi việc sử dụng xe điện ngày càng phổ biến, các nhà sản xuất ô tô đang tìm kiếm những loại pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và sạc đầy trong vài phút thay vì hàng giờ. Pin lithium-kim loại được xem là lựa chọn đầy hứa hẹn vì chúng có khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion hiện nay.
Tuy nhiên, các vấn đề về an toàn và độ bền đã cản trở việc thương mại hóa. Thách thức lớn nằm ở quá trình sạc. Lithium có xu hướng hình thành cấu trúc nhỏ giống như kim, gọi là nhánh tinh thể (dendrite). Cấu trúc sắc nhọn này có thể xuyên thủng các lớp bên trong pin, gây ra hiện tượng đoản mạch, mất dung lượng nhanh chóng, thậm chí là cháy nổ.
Vấn đề này liên quan đến cái mà các nhà khoa học gọi là sự mất ổn định giao diện. Hiện tượng này xảy ra tại ranh giới nơi điện cực tiếp xúc với chất điện phân. Trong quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại, giao diện này trở nên không đồng đều. Khi đó, lithium lắng đọng không đều, thúc đẩy sự phát triển các dendrite, gây mất ổn định nhiệt.
Ngay cả trong điều kiện vừa phải, việc duy trì sự di chuyển ổn định của lithium trên bề mặt điện cực cũng rất khó khăn. Trong nhiều nghiên cứu, mật độ dòng điện khoảng 4 miliampe (mA) trên mỗi centimet vuông (cm2) đã được coi là cao. Điều đó tương đương với 4 mA di chuyển qua mỗi 1,03 cm2 diện tích điện cực.
Khắc phục sự mất ổn định này là rất cần thiết để pin lithium-kim loại sử dụng khả thi trong xe điện thực tế. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Nam-Soon Choi và Giáo sư Seungbum Hong tại KAIST dẫn đầu, hợp tác với nhóm của Giáo sư Sang Kyu Kwak tại Đại học Hàn Quốc, tiếp cận vấn đề ở cấp độ cấu trúc điện tử thay vì dựa vào điều chỉnh vật liệu thông thường.
Nhóm nghiên cứu đã đưa thiophene vào chất điện phân. Điều này tạo ra một lớp mà họ mô tả là “lớp bảo vệ thông minh” trên bề mặt lithium. Không giống như các lớp phủ tĩnh điện, lớp này tự động sắp xếp lại cấu trúc điện tử của nó.
Khi các ion lithium di chuyển, sự phân bố điện tích bên trong lớp này sẽ thay đổi theo. Các nhà nghiên cứu đã so sánh điều này với hệ thống giao thông thông minh, điều chỉnh làn đường dựa trên lưu lượng giao thông. Sự sắp xếp linh hoạt này tạo ra các đường dẫn ổn định cho các ion lithium, ngăn ngừa sự tích tụ không đồng đều.
Sử dụng mô phỏng lý thuyết hàm mật độ, nhóm nghiên cứu xác nhận chất phụ gia này đem lại độ ổn định giao diện cao hơn nhiều so với các chất phụ gia điện phân thương mại hiện có. Kết quả là việc ức chế hiệu quả sự phát triển các nhánh dendrite, ngay cả trong điều kiện sạc nhiều.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng sạc nhanh của pin trong vòng 12 phút với dòng điện ở mức hơn 8 mA trên mỗi cm2. Mức dòng điện này rất gần với nhu cầu năng lượng thường thấy trong các tình huống sạc nhanh và tăng tốc đột ngột của xe điện thực tế.
Để kiểm tra hoạt động bên trong của pin, nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử, cho phép quan sát sự lắng đọng lithium ở quy mô nanomet. Ngay cả ở dòng điện cao, lithium vẫn được lắng đọng và loại bỏ đồng đều trên toàn bề mặt. Điều này xác nhận tính ổn định về cơ học và cấu trúc.
Điều quan trọng là công nghệ này hoạt động với các vật liệu cực âm được sử dụng rộng rãi, như lithium sắt photphat, lithium coban oxit, lithium niken-coban-mangan oxit. Vì nó tương thích với các công nghệ pin hiện có, nên nó có thể tích hợp vào các hệ thống sản xuất xe điện hiện nay. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí vật liệu và năng lượng InfoMat.
