Hầu hết loại pin hiện nay, như pin trong điện thoại hoặc máy tính xách tay, là pin lithium-ion sử dụng chất điện phân dạng lỏng để truyền năng lượng giữa hai điện cực của pin, cực dương và cực âm. Mặc dù được sử dụng rộng rãi, nhưng chất điện phân dạng lỏng này rất dễ cháy, có thể dẫn đến quá nhiệt hoặc hỏa hoạn.

Pin thể rắn, sử dụng chất điện phân rắn, cung cấp giải pháp an toàn và ổn định hơn nhiều. Nhưng chúng rất khó chế tạo, đặc biệt là khi sử dụng vật liệu gốm (ceramic), vì các phương pháp truyền thống đòi hỏi nhiệt độ cực cao, lên tới 1.000 độ C, có thể làm hỏng hoặc phá hủy các bộ phận khác của pin.

Đó là lúc “thiêu kết lạnh” phát huy tác dụng. Đó là một quy trình, trong đó các vật liệu dạng bột được nung nóng, xử lý bằng dung môi lỏng, nén thành dạng đặc hơn. Kỹ thuật này cho phép nén và liên kết các vật liệu với nhau ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, khoảng 150 độ C, bằng cách áp dụng áp suất và một lượng nhỏ dung môi lỏng. Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp này, tạo ra chất điện phân thể rắn mới, kết hợp vật liệu gốm gọi là LATP với gel polymer gọi là PILG.

Vật liệu gốm như LATP thường được tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ, có các khoảng trống nhỏ giữa chúng, gọi là ranh giới hạt. Các ranh giới này có thể chặn dòng điện, làm pin kém hiệu quả hơn. Nhưng bằng cách lấp đầy các ranh giới này bằng gel PILG trong quá trình thiêu kết lạnh, nhóm nghiên cứu tạo ra hợp chất “polymer trong gốm” không chỉ giữ nguyên vẹn trong quá trình sản xuất mà còn dẫn điện hiệu quả hơn nhiều.

Vật liệu thể rắn mới này, không chỉ dẫn ion tốt mà còn có dải điện áp rộng hơn, từ 0 - 5,5 volt, so với pin thông thường, thường hoạt động trong khoảng từ 0 - 4 volt. Điều đó có nghĩa, nó có thể cung cấp năng lượng mạnh hơn cho các thiết bị. Quan trọng hơn, nó cũng hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng, khiến nó trở thành lựa chọn thiết thực cho các thiết bị điện tử hàng ngày.

Được phát triển ban đầu tại Penn State vào năm 2016, phương pháp thiêu kết lạnh lần đầu tiên được áp dụng cho công nghệ pin hai năm sau đó. Công trình của nhóm nghiên cứu dựa trên nền tảng đó, cho thấy cách thức sử dụng nó để tạo ra các thành phần pin phức tạp mà không cần nhiệt độ cực cao.

Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ mở rộng quy mô công nghệ để sản xuất và tái chế trên diện rộng, điều này giúp pin thể rắn không chỉ an toàn hơn, mạnh hơn mà còn bền vững hơn. Nhóm nghiên cứu này gồm một số sinh viên sau đại học và cựu sinh viên của Penn State. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Materials Today Energy.