Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, San Diego (Hoa Kỳ) phát triển phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để xác định hiệu suất pin lithium kim loại, với sự trợ giúp của công cụ được sử dụng rộng rãi: kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Tiến bộ này có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các loại pin an toàn hơn, bền hơn, có mật độ năng lượng cao hơn cho xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện. Nghiên cứu được công bố trên kỷ yếu của Viện hàn lâm khoa học quốc gia Hoa Kỳ.

Pin lithium kim loại có tiềm năng lưu trữ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion hiện nay. Điều này có thể giúp tăng phạm vi hoạt động của ô tô điện và kéo dài thời gian hoạt động của máy tính xách tay, điện thoại thông minh...

Nhưng để hiện thực hóa tiềm năng này, các nhà nghiên cứu phải giải quyết một thách thức bấy lâu nay: kiểm soát hình thái lithium, hay cách lithium lắng đọng trên các điện cực trong quá trình sạc và xả.

Khi lithium lắng đọng đồng đều hơn, pin có thể đạt tuổi thọ chu kỳ dài hơn. Ngược lại, khi lithium lắng đọng không đồng đều, nó sẽ hình thành các cấu trúc hình kim gọi là dendrite, có thể xuyên thủng lớp ngăn cách của pin, khiến pin bị đoản mạch và hỏng.

Theo truyền thống, các nhà nghiên cứu phần lớn xác định tính đồng nhất lớp lithium lắng đọng bằng đánh giá trực quan qua hình ảnh kính hiển vi. Cách này dẫn đến sự không nhất quán trong phân tích giữa các phòng thí nghiệm, gây khó khăn cho việc so sánh kết quả giữa các nghiên cứu.

Thay vào đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego, phát triển thuật toán đơn giản để phân tích mức độ phân bố đồng đều lithium trên các hình ảnh SEM. Nhóm nghiên cứu sử dụng SEM, vì nó cung cấp hình ảnh chi tiết về điện cực của pin, bằng cách chụp 3D các đặc điểm bề mặt dưới dạng hình ảnh xám 2D, đây cũng là kỹ thuật sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu pin.

Trước tiên, nhóm nghiên cứu chụp ảnh SEM của điện cực pin, chuyển đổi chúng thành các điểm ảnh đen, trắng. Các điểm ảnh trắng đại diện cho lớp lithium lắng đọng trên cùng, các điểm ảnh đen đại diện cho lớp nền hoặc lithium không hoạt động. Các hình ảnh chia thành nhiều vùng, thuật toán sẽ đếm số điểm ảnh trắng trong mỗi vùng, sau đó tính toán một chỉ số gọi là chỉ số phân tán.

Chỉ số phân tán (ID) là thước đo độ đồng đều của lithium. Chỉ số này càng gần 0, các lớp lắng đọng lithium càng đồng đều. Giá trị càng cao đồng nghĩa với độ đồng đều thấp hơn và các hạt lithium tập trung nhiều hơn ở một số khu vực nhất định.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu xác thực phương pháp này trên 2.048 ảnh SEM tổng hợp với phân bố kích thước hạt đã biết. Các phép đo ID phù hợp với phân bố thực tế, điều này xác nhận độ chính xác của phương pháp.

Sau đó, nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp này vào hình ảnh điện cực thực tế để phân tích sự thay đổi hình thái của lithium theo thời gian trong các điều kiện chu kỳ khác nhau. Họ phát hiện ra khi pin được sạc, ID tăng lên, cho thấy các lớp lithium lắng đọng không đồng đều hơn.

Trong khi đó, năng lượng cần thiết để lắng đọng lithium tăng lên, dấu hiệu của sự phân hủy. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát hiện, các đỉnh và đáy cục bộ trong ID luôn xuất hiện ngay trước khi pin bị hỏng. Các đỉnh và đáy như vậy có thể đóng vai trò là dấu hiệu cảnh báo sớm về đoản mạch.