Tại sao pin dày hơn không phải lúc nào cũng bền hơn?

Nhưng trên thực tế, các điện cực dày - các lớp bên trong có chức năng lưu trữ và truyền năng lượng - lại thường không đạt hiệu quả cao, đặc biệt là khi nói đến khả năng sạc nhanh hoặc hiệu suất lâu dài.

Một nghiên cứu mới từ Đại học Rice, Hoa Kỳ tiết lộ lý do tại sao. Dưới sự dẫn dắt của nhà khoa học vật liệu Ming Tang, nhóm nghiên cứu phát hiện, tính chất hóa học bên trong vật liệu pin đóng vai trò lớn hơn cấu trúc vật lý khi nói đến hiệu suất của điện cực dày.

Cho đến nay, các chuyên gia cho rằng, các vấn đề diễn ra với điện cực dày, như sạc chậm và sử dụng năng lượng kém, có thể khắc phục bằng cách thay đổi cấu trúc, chẳng hạn như bổ sung thêm nhiều kênh lỗ rỗng để giúp các ion lithium di chuyển qua vật liệu dễ dàng hơn.

Nhưng nghiên cứu mới cho thấy, ngay cả các vật liệu có cấu trúc tương tự cũng có thể hoạt động rất khác nhau dựa vào tính chất hóa học của chúng. Nhóm nghiên cứu so sánh hai loại vật liệu thường sử dụng: lithium sắt phosphate (LFP) và hỗn hợp niken mangan coban oxit (NMC).

Cả hai loại vật liệu này đều được tìm thấy trong pin lithium-ion và cả hai đều có cấu trúc gần như giống hệt nhau trong nghiên cứu. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu kiểm tra hiệu suất của từng loại vật liệu, NMC tỏ ra vượt trội hơn LFP.

LFP cho thấy dòng chảy ion lithium không đều, bị mòn nhanh hơn, có nhiều vết nứt và mất dung lượng hơn theo thời gian. Trong điện cực LFP, hầu hết phản ứng năng lượng xảy ra gần bề mặt, trong khi các lớp sâu hơn hầu như không tham gia. Trong khi đó, điện cực NMC phân bố lithium đồng đều hơn, dẫn đến hiệu suất tốt hơn.

Sử dụng công cụ chụp ảnh X-quang mạnh mẽ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, nhóm nghiên cứu xem xét cách ion lithium di chuyển bên trong điện cực trong khi pin hoạt động. Họ phát hiện, không chỉ cấu trúc vật liệu mới quan trọng mà cả tính chất hóa học của vật liệu cũng kiểm soát dòng chảy ion lithium và sự lan truyền các phản ứng.

Để giúp các kỹ sư thiết kế pin tốt hơn, các nhà nghiên cứu đưa ra phương pháp mới để đo lường hành vi này. Phương pháp này kết hợp cả các yếu tố cấu trúc vật liệu và tính chất hóa học để dự đoán mức độ năng lượng sẽ di chuyển đều qua các điện cực dày.

Nghiên cứu này có thể giúp tạo ra loại pin dày hơn, bền hơn, phù hợp với nhu cầu ngày càng tăng của xe điện và các thiết bị điện tử. Điểm mấu chốt là tính chất hóa học phù hợp quan trọng không kém, nếu không muốn nói là quan trọng hơn, so với cấu trúc vật liệu khi chế tạo pin tốt hơn.