Các nhà nghiên cứu thuộc Viện khoa học và công nghệ quốc gia Ulsan (UNIST) đã công bố một thiết kế mới với điện cực dày, đem lại công suất cao hơn nhiều, đồng thời vẫn duy trì khả năng lưu trữ năng lượng cao. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng bên trong điện cực dày, nhóm nghiên cứu đã cho dòng ion lithium di chuyển nhanh hơn và hiệu suất công suất cao hơn.
Các nhà sản xuất ô tô luôn chịu áp lực phải mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện, và một trong những cách trực tiếp để làm điều đó là tăng lượng vật liệu hoạt tính trong điện cực pin. Cách tiếp cận này tạo ra điện cực dày hơn, có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn. Nhược điểm của cách này là công suất đầu ra thường giảm.
Các ion lithium phải di chuyển trên quãng đường dài hơn và phức tạp hơn. Điều này làm chậm quá trình phóng điện, ảnh hưởng đến hiệu suất trong các điều kiện đòi hỏi cao như leo dốc hoặc tăng tốc nhanh. Nhóm nghiên cứu của UNIST do Giáo sư Kyeong Min Jeong dẫn đầu, đã tập trung vào chính điểm nghẽn này.
Mục tiêu của họ là giữ được lợi ích của điện cực dày, đồng thời khôi phục lại công suất giảm đi. Bằng cách xem xét lại cách các ion di chuyển bên trong điện cực, các nhà nghiên cứu tìm ra cách giảm đáng kể điện trở mà không làm giảm dung lượng. Kết quả là một thiết kế hỗ trợ khả năng lái xe đường dài, đồng thời vẫn duy trì khả năng cung cấp năng lượng mạnh mẽ.
Bước tiến quan trọng đến từ việc tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng bên trong điện cực. Bên trong điện cực dày, không phải các lỗ rỗng đều hoạt động như nhau. Một số là những khoảng trống khá lớn giữa các hạt vật liệu hoạt tính cho phép các ion lithium di chuyển dễ dàng. Các lỗ rỗng khác nhỏ hơn nhiều, tạo ra bởi chất phụ gia dẫn điện và chất kết dính. Những không gian nhỏ bé này tạo thành cái gọi là vùng carbon-chất kết dính (CBD).
Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng, CBD rất cần thiết cho việc di chuyển electron nhưng nó cũng có thể cản trở sự vận chuyển ion nếu nó trở nên quá dày đặc hoặc không đồng đều. Ở các điện cực dày, hiệu ứng này trở nên nghiêm trọng hơn. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận sự cân bằng và phân bố các lỗ rỗng này, các nhà nghiên cứu đã có thể mở ra các đường dẫn ion nhanh hơn, trong khi vẫn duy trì độ dẫn điện.
Việc điều chỉnh cấu trúc này dẫn đến bước nhảy rõ rệt về hiệu suất. Điện cực duy trì dung lượng trên diện tích ở mức cao là 10 miliampe giờ (mAh)/cm2. Ở tốc độ phóng điện 2C khắt khe, nó cung cấp 1,71 mAh/cm2, so với 0,98 mAh/cm2 từ điện cực dày thông thường. Điều đó thể hiện mức tăng khoảng 75% về hiệu suất trong thời gian ngắn.
Để đạt kết quả này, nhóm nghiên cứu phát triển một khung phân tích mới gọi là mô hình đường truyền hai lỗ rỗng (Dual-Pore Transmission Line Model – DTLM). Mô hình này phân tách sự chuyển động của ion thành hai đường dẫn song song, phản ánh hành vi của các lỗ rỗng lớn và lỗ rỗng siêu nhỏ liên quan đến CBD.
Các mô hình truyền thống thường lấy giá trị trung bình của độ rỗng làm giá trị duy nhất, điều này che khuất các chi tiết quan trọng. Thay vào đó, DTLM liên kết điện trở trực tiếp với các đặc điểm vật lý bên trong điện cực. Bằng cách này, nhóm nghiên cứu có thể xác định chính xác hàm lượng CBD, sự kết tụ hạt, tỉ lệ chất kết dính, ảnh hưởng đến dòng chảy và độ ổn định ion như thế nào. Hiểu biết đó cho phép họ tinh chỉnh các bước xử lý và tỉ lệ vật liệu với độ chính xác cao hơn.
Đối với xe điện, tác động của nghiên cứu này có thể rất đáng kể. Pin được chế tạo theo phương pháp này có thể duy trì công suất mạnh mẽ ngay cả khi dung lượng tăng lên, hỗ trợ phạm vi hoạt động xa hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
