Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Đại học Chicago (Hoa Kỳ) cho biết, họ tìm ra một cách đơn giản đến bất ngờ để tiến gần hơn đến mục tiêu đó. Phương pháp của họ cải thiện cả dung lượng năng lượng và tuổi thọ của pin thể rắn hoàn toàn, công nghệ pin thế hệ mới có thể cải tiến xe điện và các thiết bị điện tử.
Pin lithium-ion truyền thống hiện nay, thường dựa vào chất điện phân dạng lỏng hay gel, để di chuyển các hạt mang điện giữa hai điện cực. Chất điện phân dạng lỏng kém ổn định hơn và có thể dễ cháy. Ngược lại, pin thể rắn hoàn toàn sử dụng chất điện phân dạng rắn, nên an toàn hơn và có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Tuy nhiên, việc phát triển pin thể rắn gặp khó khăn do các vấn đề ở giao diện - ranh giới nhỏ nơi các vật liệu khác nhau bên trong pin tiếp xúc nhau. Giao diện này thường làm chậm sự di chuyển các ion lithium, làm giảm hiệu suất của pin. Khắc phục vấn đề này là một trong những thách thức lớn nhất trong lĩnh vực này.
Nhóm nghiên cứu phát hiện, việc trộn nhanh các vật liệu của pin ở tốc độ rất cao có thể giải quyết vấn đề này. Trong quá trình này, điều thú vị xảy ra ở cấp độ vi mô. Các nguyên tử lithium liên kết với các nguyên tố như chlorine hay bromine di chuyển và tập trung tại giao diện, tạo ra con đường hiệu quả cho các ion di chuyển.
Kết quả là một loại pin hoạt động tốt hơn nhiều. Pin được cải tiến cho thấy mật độ năng lượng cao hơn, nghĩa là có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với kích thước của chúng, đồng thời pin vẫn hoạt động bền lâu sau nhiều chu kỳ sạc. Trong các thử nghiệm, pin duy trì hiệu suất tối đa sau 100 chu kỳ sạc và vẫn giữ hơn 80% hiệu suất sau 450 chu kỳ.
Phương pháp này thú vị ở chỗ nó khá đơn giản. Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp trộn tốc độ cao, quay các vật liệu ở tốc độ khoảng 2.000 vòng/phút trong vài giờ. Điều này tạo ra nhiệt và lực cơ học, kích hoạt các thay đổi cần thiết bên trong để đạt hiệu suất tốt hơn. Không giống như nhiều phương pháp khác, phương pháp này không cần các chất phụ gia đắt tiền hay các bước sản xuất phức tạp.
Nhóm nghiên cứu thử nghiệm phương pháp này trước hết với pin lithium-sulfur, loại pin sử dụng lưu huỳnh làm vật liệu chính. Lưu huỳnh dồi dào và rẻ tiền, nên hấp dẫn cho việc sử dụng quy mô lớn. Tiếp đến, họ thử cách tiếp cận tương tự với vật liệu khác, như selenium và tellurium, cũng nhận thấy các cải thiện tương tự. Điều này cho thấy kỹ thuật này có thể hoạt động trên nhiều loại pin thể rắn khác nhau.
Để hiểu những gì đang xảy ra bên trong pin, các nhà khoa học sử dụng các công cụ tiên tiến, như kỹ thuật chụp X-quang và kính hiển vi điện tử mạnh mẽ. Các công cụ này cho phép họ quan sát những thay đổi ở cấp độ nguyên tử và xác nhận cách các vật liệu tự sắp xếp lại. Khám phá này được công bố trên tạp chí Science, mở ra hướng đi đầy hứa hẹn để biến pin thể rắn trở nên hữu ích cho việc sử dụng thực tế.
