Tại sao pin lithium thể rắn dễ hỏng theo thời gian?

Pin lithium thể rắn hứa hẹn sẽ an toàn hơn và mạnh hơn pin lithium-ion mà chúng ta sử dụng ngày nay trong điện thoại, máy tính bảng, máy tính xách tay, xe điện... Tuy nhiên, có một vấn đề với loại pin này: chúng không bền lâu.

Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học Trung Quốc tìm ra lý do tại sao chúng dễ hỏng. Điều này liên quan đến các vết nứt nhỏ và ứng suất bên trong cực dương của pin, bộ phận lưu trữ và giải phóng lithium trong quá trình sạc pin. Vấn đề chính là thứ gọi là mỏi kim loại. Đó là khi vật liệu trở nên yếu hơn sau khi bị kéo căng và nén nhiều lần.

Trong pin lithium thể rắn, lithium ở cực dương sẽ nở ra khi pin sạc và co lại khi pin xả. Theo thời gian, chuyển động này lặp đi, lặp lại gây ra các vết nứt nhỏ và khoảng trống, gọi là microvoid, hình thành giữa cực dương và chất điện phân rắn, đây là bộ phận cho phép các ion lithium di chuyển qua pin.

Những vết nứt này tạo ra các điểm yếu, cho phép các cấu trúc nhỏ như kim, dạng như nhánh cây, gọi là dendrite phát triển. Dendrite nguy hiểm vì chúng có thể đâm thủng các bộ phận của pin, gây ra hiện tượng đoản mạch, có thể khiến pin hỏng hoặc thậm chí bắt lửa. Đây là một trong những lý do chính khiến pin thể rắn không sử dụng được lâu.

Để hiểu rõ hơn về quá trình này, các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi công suất cao và máy tính mô phỏng để quan sát cách vật liệu pin thay đổi theo thời gian. Họ phát hiện ra, hư hỏng ở cực dương tuân theo một quy luật khoa học đã biết, gọi là định luật Coffin-Manson.

Định luật này mô tả cách vật liệu nứt và vỡ sau khi chịu ứng suất liên tục. Điều này có nghĩa, vấn đề không phải diễn ra ngẫu nhiên mà là do cách thức hoạt động của pin. Hiểu biết này thực sự cung cấp cho các nhà khoa học một điểm khởi đầu tốt để giải quyết vấn đề.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, bằng cách hiểu được hành vi có thể dự đoán này, các kỹ sư có thể thiết kế vật liệu hoặc cấu trúc mới của pin giúp giảm ứng suất và ngăn ngừa nứt vỡ. Điều đó có thể ngăn chặn các dendrite phát triển, giúp pin thể rắn sử dụng lâu hơn nhiều.

Phát hiện này có thể là bước ngoặt đối với công nghệ pin. Nếu các nhà khoa học tìm ra cách khắc phục vấn đề mỏi kim loại, pin lithium thể rắn cuối cùng có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị và phương tiện trong tương lai của chúng ta với nhiều năng lượng hơn, an toàn hơn và tuổi thọ dài hơn.