Giờ đây, các nhà nghiên cứu phát hiện ra một lý do quan trọng khiến pin mất dần khả năng giữ điện: mỗi khi sạc và xả, chúng thực sự “thở” về mặt vật lý. Chuyển động này lặp đi, lặp lại gây áp lực lên các vật liệu bên trong pin, làm chúng yếu dần theo thời gian.
Khi pin sạc, các ion lithium di chuyển vào vật liệu điện cực. Khi pin xả, các ion đó di chuyển trở lại ra ngoài. Sự chuyển động qua lại liên tục này, khiến cấu trúc bên trong pin phồng lên và co lại, giống như phổi hít vào rồi thở ra.
Mặc dù chuyển động này rất nhỏ, nhưng nó xảy ra hàng nghìn lần trong suốt vòng đời của pin. Theo thời gian, chuyển động lặp đi, lặp lại này gây ra hư hỏng vĩnh viễn, quá trình được gọi là suy thoái cơ học. Khám phá này được công bố trên tạp chí Science.
Công trình thực hiện bởi nhóm nghiên cứu từ Đại học Texas tại Austin, Đại học Northeastern, Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, giúp giải thích bí ẩn lâu đời trong công nghệ pin, có thể dẫn đến việc tạo ra những loại pin bền hơn, đáng tin cậy hơn trong tương lai.
Theo nhà nghiên cứu chính Yijin Liu, mỗi “hơi thở” đều để lại một thay đổi nhỏ, không thể đảo ngược. Mặc dù mỗi thay đổi riêng lẻ là nhỏ, nhưng chúng tích lũy dần theo thời gian sử dụng, cuối cùng dẫn đến giảm hiệu suất hoặc pin hỏng hoàn toàn.
Một trong những khám phá quan trọng nhất của nhóm nghiên cứu là một quá trình mà họ gọi là “chuỗi ứng suất”. Bên trong điện cực pin có hàng trăm nghìn hạt siêu nhỏ, mỗi hạt phản ứng khác nhau với ứng suất khi sạc.
Một số hạt di chuyển nhanh chóng, trong khi những hạt khác hầu như không di chuyển. Hành vi không đồng đều này, khiến ứng suất tích tụ ở một số vùng nhất định, sau đó có thể lan sang các vùng lân cận.
Theo thời gian, điều này có thể dẫn đến nứt, cong vênh và các hư hỏng cấu trúc khác bên trong pin. Để quan sát trực tiếp quá trình này, nhóm nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh tia X tiên tiến, cho phép theo dõi hoạt động của vật liệu pin khi pin được sạc và xả.
Sử dụng các công cụ mạnh mẽ như kính hiển vi tia X và chụp cắt lớp tia X 3D, họ đã có thể thu được hình ảnh chi tiết, theo thời gian thực về cách các hạt riêng lẻ di chuyển và tương tác dưới tác động của ứng suất.
Điều thú vị là nhóm nghiên cứu lần đầu tiên nhận thấy hành vi này khi nghiên cứu một thiết bị khá nhỏ: tai nghe không dây thương mại. Các quá trình tương tự ảnh hưởng đến pin nhỏ trong tai nghe, cũng áp dụng cho các hệ thống lớn hơn nhiều, chẳng hạn như pin xe điện.
Hiểu được cách thức và vị trí phát sinh ứng suất, mở ra hướng đi cho thiết kế pin tốt hơn. Nhóm nghiên cứu cho rằng, những thay đổi như thiết kế lại cấu trúc điện cực hoặc áp dụng ứng suất có kiểm soát lên các tế bào pin, có thể làm giảm hư hỏng và làm chậm quá trình xuống cấp.
Bước tiếp theo của nhóm là phát triển các mô hình lý thuyết kết hợp hóa học và cơ học, giúp các kỹ sư dự đoán sự hao mòn của pin và thiết kế các loại pin trong tương lai có tuổi thọ cao hơn, sạc nhanh hơn, hoạt động đáng tin cậy hơn để sử dụng trong nhiều năm.
