Các nhà nghiên cứu tại Viện vật liệu bền vững Max Planck (Đức) đã phát hiện ra cách các nhánh tinh thể lithium (dendrite) gây ra vết nứt bên trong pin thể rắn, phát hiện có thể giúp giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất đối với công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ mới.
Pin thể rắn được xem là giải pháp tiềm năng thay thế cho pin lithium-ion hiện nay vì chúng có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn, tuổi thọ cao hơn và an toàn hơn. Chúng thay thế chất điện phân dạng lỏng, dễ cháy, sử dụng trong pin thông thường bằng chất điện phân gốm (ceramic) rắn.
Nhưng một vấn đề lớn đã làm chậm quá trình thương mại hóa loại pin này. Trong quá trình sạc-xả, các nhánh tinh thể lithium nhỏ, gọi là dendrite, có thể phát triển từ điện cực, xuyên qua chất điện phân rắn, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin.
Nghiên cứu mới giải thích cách điều đó xảy ra. Thay vì các electron rò rỉ phía trước đầu nhánh dendrite, các nhà nghiên cứu phát hiện, ứng suất đã tích tụ bên trong kim loại lithium cho đến khi nó làm nứt lớp chắn cứng bằng gốm. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Để phát hiện quá trình hỏng hóc, các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị và phân tích các mẫu pin trong điều kiện chân không và nhiệt độ cực thấp. Điều này giúp loại bỏ sự can thiệp từ oxy, độ ẩm hoặc hiệu ứng chùm tia hiển vi có thể làm thay đổi kết quả.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra lithium bị mắc kẹt bên trong các vết nứt, không tìm thấy bằng chứng nào cho thấy lithium đang tích tụ phía trước đầu nhánh dendrite. Điều đó làm suy yếu giả thuyết cho rằng, các electron rò rỉ gây ra sự phát triển mới lithium bên trong vật liệu gốm.
Thay vào đó, nhóm nghiên cứu kết luận, áp suất thủy tĩnh bên trong dendrite tạo ra ứng suất kéo đủ để làm vỡ chất điện phân. Phát hiện này có thể giúp các nhà phát triển pin thiết kế pin thể rắn có khả năng chống nứt, ngăn ngừa đoản mạch tốt hơn.
Các giải pháp khả thi hiện đang nghiên cứu bao gồm chất điện phân rắn bền hơn có thể chịu được ứng suất tốt hơn, các lỗ rỗng siêu nhỏ để định hướng lại sự phát triển dendrite, các lớp phủ bảo vệ trên điện cực lithium để giảm sự hình thành dendrite trong quá trình sạc-xả.
Nếu thành công, các thay đổi trong pin thể rắn đó có thể thúc đẩy sự ra đời của những chiếc điện thoại thông minh có thời lượng pin lâu hơn, an toàn hơn và xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn.
Pin thể rắn là một trong những công nghệ pin được chú ý nhất trong nhiều năm qua, nhưng các vấn đề về sản xuất và độ tin cậy đã làm chậm quá trình phổ biến trên thị trường. Hiểu rõ chính xác lý do tại sao pin bị hỏng được xem là một bước quan trọng hướng tới việc triển khai thương mại.
Nghiên cứu cũng nêu bật thách thức lớn trong khoa học pin: ngay cả vật liệu mềm cũng có thể gây hư hại khi áp suất tăng lên trong không gian cực hẹp. Đối với các nhà sản xuất ô tô và thiết bị điện tử đang chạy đua để thương mại hóa pin thể rắn, nghiên cứu này cung cấp hướng đi rõ ràng hơn để giải quyết vấn đề vốn vẫn đang khó giải quyết.
