Pin thể rắn thường được xem là tương lai của lưu trữ năng lượng vì chúng có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn và an toàn hơn so với pin lithium-ion hiện nay. Nhưng có một vấn đề lớn: chúng có xu hướng mất dung lượng nhanh hơn nhiều so với mong muốn của các nhà khoa học.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học kỹ thuật Vienna (TU Wien), Đại học Humboldt Berlin và Trung tâm Helmholtz Berlin đã phát hiện ra một quá trình hóa học tiềm ẩn, có thể giúp giải thích tại sao những loại pin tiên tiến này lại xuống cấp nhanh chóng như vậy.
Khác với pin lithium-ion thông thường, pin thể rắn sử dụng vật liệu rắn làm chất điện phân, thay vì chất điện phân dạng lỏng, dễ cháy. Điều này giúp chúng an toàn hơn nhiều và có thể cho phép xe điện, các thiết bị điện tử hoạt động lâu hơn chỉ với một lần sạc.
Tuy nhiên, các vật liệu rắn bên trong loại pin này lại giãn nở và co lại khi các ion lithium di chuyển qua lại trong quá trình sạc và xả. Những thay đổi này có thể tạo ra các vết nứt nhỏ, làm hỏng sự tiếp xúc giữa các thành phần của pin.
Để giữ cho mọi thứ liên kết, pin thể rắn thường hoạt động dưới áp suất cao. Nhưng áp suất này đã gây khó khăn rất lớn cho các nhà khoa học trong việc quan sát những gì đang xảy ra bên trong pin khi chúng hoạt động.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu một loại pin thể rắn chế tạo từ vật liệu titanium sulfide và lithium yttrium chloride. Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tia X mạnh mẽ tại cơ sở nghiên cứu BESSY II để kiểm tra cả bề mặt pin và các giao diện ẩn giấu bên trong.
Bằng cách kết hợp quang phổ điện tử tia X mềm và cứng, các nhà khoa học có thể quan sát các phản ứng hóa học sâu bên trong pin trong khi nó đang hoạt động. Những gì họ khám phá thật đáng ngạc nhiên.
Trong quá trình hoạt động của pin, các hợp chất chứa oxy bên trong pin từ từ di chuyển về phía bộ thu dòng điện cực âm. Tại đó, oxy phản ứng với vật liệu điện cực hoạt tính và tạo thành một lớp không trật tự giàu oxit titanium.
Lớp bám không mong muốn này là một trong những lý do chính khiến pin giảm khả năng lưu trữ năng lượng nhanh chóng, theo giải thích của các nhà nghiên cứu. Phát hiện này chỉ ra, oxy bị kẹt lại bên trong vật liệu của pin là một vấn đề lớn trong pin thể rắn.
Theo các nhà khoa học, phát hiện này có thể giúp cải thiện thiết kế pin trong tương lai bằng cách giảm hoặc loại bỏ sự tiếp xúc với oxy trong quá trình sản xuất. Việc sản xuất vật liệu pin trong môi trường khí trơ được kiểm soát cẩn thận có thể giúp ngăn các phản ứng gây hại này xảy ra.
Mặc dù pin thể rắn vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, nhưng phát hiện mới này cung cấp cho các nhà khoa học một cái nhìn rõ ràng hơn về lý do tại sao loại pin đầy hứa hẹn này lại dễ bị hỏng và làm thế nào để chúng có thể trở nên đáng tin cậy trong tương lai.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, phương pháp tiếp cận mới này có thể giúp đẩy nhanh quá trình phát triển pin thể rắn có tuổi thọ cao hơn, dành cho xe điện, lưu trữ năng lượng tái tạo và thiết bị điện tử di động. Khám phá của họ, được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters.
