Các nhà khoa học tại Đại học Stanford cho hay, việc thêm lớp bảo vệ siêu mỏng vào chất điện phân rắn, có thể làm cho chất điện phân ổn định hơn trong các điều kiện điện hóa và cơ học khắc nghiệt, như sạc nhanh và áp suất, giúp pin lithium kim loại có tuổi thọ cao hơn, sạc nhanh hơn.
Về lý thuyết, chất điện phân rắn - thay vì chất điện phân lỏng - nằm giữa hai điện cực đối diện của pin, sẽ cho phép tạo ra pin lithium kim loại sạc lại, an toàn hơn, tích trữ nhiều năng lượng hơn và sạc nhanh hơn đáng kể so với pin lithium-ion hiện có trên thị trường.
Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học khám phá nhiều hướng đi để hiện thực hóa tiềm năng to lớn của pin lithium kim loại. Một vấn đề lớn với chất điện phân rắn, dạng tinh thể đang nghiên cứu là sự hình thành các vết nứt siêu nhỏ, phát triển trong quá trình sử dụng cho đến khi pin bị hỏng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford, dựa trên phát hiện mà họ công bố 3 năm trước, về cách các vết nứt, vết lõm và khuyết tật hình thành và mở rộng, phát hiện việc ủ một lớp phủ bạc cực mỏng trên bề mặt chất điện phân rắn dường như giải quyết được phần lớn vấn đề. Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials ngày 16/1/2026.
Nghiên cứu này cho thấy, lớp phủ bạc làm tăng độ bền bề mặt chất điện phân lên gấp 5 lần, ngăn sự nứt vỡ do áp lực cơ học. Nó cũng làm cho các khuyết tật ít bị ảnh hưởng hơn trước sự xâm nhập của lithium, đặc biệt trong quá trình sạc nhanh, vì nó ngăn các vết nứt nhỏ lan rộng thành các khe nứt lớn, có thể làm hỏng pin.
Chất điện phân rắn đang nghiên cứu làm từ ceramic, cho phép các ion lithium di chuyển hiệu quả, nhưng nó lại giòn, Wendy Gu, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Giống như bát đĩa sứ gia dụng, vật liệu này chứa các vết nứt nhỏ li ti trên bề mặt, khiến chúng dễ bị vỡ dưới tác động của lực.
Pin thể rắn thực tế được làm từ các lớp tấm cực âm - chất điện phân - cực dương xếp chồng lên nhau. Việc sản xuất chúng mà không có khuyết điểm, dù là nhỏ nhất, cũng gần như không thể và rất tốn kém. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford quyết định rằng, một lớp bề mặt bảo vệ có thể thực tế hơn, và chỉ một chút bạc dường như đã làm khá tốt.
Nếu như các nghiên cứu trước đây sử dụng bạc kim loại để tăng hiệu suất pin, nghiên cứu mới này sử dụng ion bạc hòa tan đã mất một electron (Ag+). Bạc hòa tan này, không giống như bạc kim loại rắn, có tác dụng làm cứng trực tiếp chất điện phân ceramic “LLZO” (thành phần gồm các nguyên tử lithium, lanthanum, zirconium và oxy), chống lại sự hình thành vết nứt.
Các nhà nghiên cứu phủ lớp bạc dày 3 nanomet lên bề mặt LLZO, sau đó nung nóng các mẫu lên đến 300 độ C. Trong quá trình nung nóng, các ion bạc khuếch tán vào bề mặt chất điện phân, trao đổi vị trí với các nguyên tử lithium nhỏ hơn, ở độ sâu từ 20 đến 50 nanomet, tạo ra cấu trúc rào cản gồm các ion mang điện tích dương làm cứng vật liệu.
Bạc tồn tại dưới dạng các ion tích điện dương chứ không phải bạc kim loại, điều mà các nhà khoa học cho rằng rất quan trọng để ngăn ngừa sự hình thành vết nứt. Tại những nơi có khuyết tật, sự hiện diện của ion bạc cũng ngăn cản lithium xâm nhập và phát triển các nhánh phá hoại bên trong chất điện phân, gây ra hỏng pin.
Nghiên cứu của nhóm cho thấy, việc pha tạp bạc ở cấp độ nano có thể thay đổi cơ bản cách các vết nứt bắt đầu hình thành và lan truyền trên bề mặt chất điện phân, tạo ra chất điện phân rắn bền bỉ trong các điều kiện điện hóa và cơ học khắc nghiệt, như sạc nhanh và áp suất cao, phù hợp cho các công nghệ pin thế hệ tiếp theo.
Sử dụng một đầu dò chuyên dụng và kính hiển vi điện tử quét, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra độ bền vật liệu bằng cách đo điểm gãy của nó dưới tác động của ứng suất vật lý. Kết quả rất ấn tượng, chất điện phân rắn xử lý bằng bạc có khả năng chống nứt gần gấp 5 lần so với vật liệu không được xử lý.
Nhóm nghiên cứu hiện đang chuyển thử nghiệm từ các mẫu nhỏ sang các pin hoàn chỉnh. Mục tiêu là kiểm tra xem lớp phủ bạc này có thể áp dụng cho các định dạng lớn hơn, hoạt động tốt với các thành phần pin khác và duy trì hiệu suất trong hàng nghìn chu kỳ sạc hay không.
Ngoài vật liệu ceramic hiện tại, họ đang nghiên cứu các lớp phủ bảo vệ tương tự cho chất điện phân gốc lưu huỳnh và pin gốc natri. Nếu công nghệ này được mở rộng quy mô, nó có thể giảm bớt lo ngại về chuỗi cung ứng lithium bằng cách làm cho mỗi viên pin hiệu quả và bền hơn.
Các nhà nghiên cứu cho biết, kim loại sử dụng không nhất thiết phải là bạc, mặc dù về nguyên tắc, các ion kim loại phải lớn hơn các ion lithium mà chúng thay thế trong cấu trúc chất điện phân. Họ đã thử nghiệm đồng và đạt một số thành công, mặc dù bạc vẫn là tiêu chuẩn cao về hiệu suất.
