Sự đổi mới này tập trung vào một loại vật liệu đặc biệt dạng gel, gọi là ionogel, kết hợp với các lớp polymer siêu mỏng, để tạo thành lớp màng bền chắc, linh hoạt, kiểm soát cách điện tích di chuyển bên trong pin.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials, khám phá cách màng polymer tích điện có thể được thiết kế để cân bằng hai nhu cầu quan trọng: sự di chuyển ion nhanh và độ bền cơ học cao.
Việc đạt được cả hai điều đó cùng một lúc là một thách thức từ lâu trong thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng. Pin và các hệ thống lưu trữ năng lượng khác phụ thuộc vào các ion, là hạt tích điện, di chuyển qua lại giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả.
Trong nhiều thiết kế hiện có, các ion này di chuyển qua chất điện phân lỏng, cách này hiệu quả nhưng lại có các nhược điểm nghiêm trọng. Chất điện phân lỏng có thể dễ cháy, bị phân hủy theo thời gian và cho phép hình thành các cấu trúc bên trong nguy hiểm, làm giảm tuổi thọ pin.
Để giải quyết các nhược điểm này, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) Hoa Kỳ, tạo ra cái mà họ gọi là “màng điện phân bán rắn”. Các màng này xây dựng từng lớp, kẹp lớp ionogel giữa các tấm polymer dẻo. Ionogel là vật liệu độc đáo, hoạt động như chất rắn, nhưng cho phép các ion di chuyển qua nó dễ dàng gần như trong chất lỏng.
Một trong những vấn đề lớn nhất trong pin năng lượng cao, đặc biệt là các pin sử dụng lithium, là sự phát triển các nhánh (dendrite) lithium. Đây là cấu trúc nhỏ, giống như kim, có thể hình thành trong quá trình sạc lặp đi, lặp lại. Theo thời gian, các dendrite có thể xuyên qua lớp ngăn mỏng giữa cực dương và cực âm của pin, gây ra đoản mạch, cháy hay hỏng hoàn toàn.
Màng mới dựa trên ionogel giúp ngăn ngừa điều này. Bằng cách kết hợp muối lithium với chất lỏng ion không cháy, các nhà nghiên cứu tạo ra vật liệu ổn định ở nhiệt độ phòng, đủ bền để chống lại sự đâm thủng. Màng này đóng vai trò vừa là chất điện phân, vừa là chất phân tách, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về chất lỏng chảy tự do.
Cấu trúc dạng rắn này, không chỉ ngăn chặn sự phát triển các dendrite, mà còn chịu được áp suất bên trong do sạc quá mức hoặc tích tụ khí. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, pin sử dụng màng mới này duy trì hiệu suất ổn định qua hàng trăm chu kỳ sạc và xả, ngay cả trong các điều kiện thường làm giảm hiệu suất của pin lithium-kim loại.
Công trình nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của các nhà khoa học từ Đại học Tennessee, Knoxville và Viện đổi mới UT-Oak Ridge. Nhóm nghiên cứu nhận thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị y tế đến hàng không vũ trụ và lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu dự định mở rộng quy mô sản xuất bằng cách sử dụng tự động hóa, để đẩy nhanh quá trình thử nghiệm và phát triển. Nếu thành công, phương pháp dựa trên ionogel này có thể đánh dấu bước tiến lớn hướng tới việc tạo ra các loại pin an toàn hơn, bền bỉ hơn, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới.
