Chúng ta đều thấy pin Lithium mang lại nhiều công dụng, đặc biệt đối với ngành xe điện. Nhưng để chế tạo ra một pin Li tối ưu hơn, ổn định mạch, tránh các vấn đề như chập mạch và đoản mạnh là bài toán lớn. Các nhà nghiên cứu đẩy mạnh quá trình nghiên cứu và thiết kế pin, tích trữ được lượng lớn lượng và mở rộng không gian tích điện. Trong đó, công nghệ đầy hứa hẹn hơn đang được nghiên cứu là pin Lithium-ion sử dụng vật liệu điện phân rắn giữa hai điện cực, thay vì chất lỏng thông thường.

Hiện trạng của pin Lithium ngày nay

Những pin Lithium ngày này đang bị cản trở bởi xu hướng chiếu kim loại giống như nhánh được gọi là khoáng vật dạng hình cây hình thành trên các điện cực. Chúng nối các điện ly đang được phân cách và làm ngắn pin, mạch pin ngắn gây ra đoản mạch, tuổi thọ pin giảm. Ngày nay, các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác đã tìm ra cách để ngăn chặn sự hình thành khoáng vật này, để tạo ra pin Li mới có công suất cao hơn.

Những phát hiện này được mô tả trên tạp chí Nature Energy, trong một bài báo của sinh viên tốt nghiệp MIT Richard Park, cùng các giáo sư Yet-Ming Chiang và Craig Carter, và bảy người khác tại MIT, Đại học Texas A&m, Đại học Brown và Đại học Carnegie Mellon.

Giáo sư Chiang giải thích, việc tìm kiếm công nghệ Pin có điện phân cực ở trạng thái rắn vì hai lý do: mật độ an toàn và mật độ năng lượng có trong mỗi điện cực của pin. Ông cũng nói: “Cách duy nhất có thể đạt được mật độ năng lượng lí tưởng là sử dụng điện cực kim loại.” Theo giáo sư thì khi có thể kết hợp điện cực kim loại đó với chất điện ly lỏng mà vẫn có được mật độ năng lượng tốt, điều đó không cung cấp lợi thế an toàn tương tự như chất điện ly rắn.

Bên cạnh đó, ông còn khẳng định rằng Pin trạng thái rắn chỉ có ý nghĩa với các điện cực kim loại nhưng sự hình thành và phát triển của khoáng vật đã khiến cho những phát minh pin như vậy khó triển khai. Bởi khoáng vật làm thu hẹp khoảng cách giữa hai tấm điện cực và thiếu mạch, làm suy yếu hoặc bất hoạt các điện cực của pin.

Giải pháp tương lai cho pin Lithium

Theo một số nghiên cứu về khoáng vật trong pin Li,  khoáng vật hình thành nhanh hơn khi dòng điện nạp vào cao hơn – điều này thường xảy ra khi cho phép sạc nhanh. Hiện nay, tốc độ sạc của pin có điện phân rắn chạy  thử nghiệm vẫn chưa đáp ứng yêu cầu tối thiểu so với pin sạc thương mại thực tế. Nhưng Giáo sư Chiang cũng nói, bởi vì lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong các phiên bản thử nghiệm của các điện cực, đã gần gấp đôi pin Lithium-ion thông thường.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề khoáng vật bằng cách áp dụng cân bằng và điều hòa giữa các điện phân ở trạng thái rắn và lỏng. Họ đã tạo ra một điện cực bán hòa tan, tiếp xúc với vật liệu điện phân rắn. Điện cực bán hòa tan cung cấp một loại bề mặt tự phục hồi tại bề mặt tiếp xúc và còn làm bề mặt của chất rắn không bị giòn . Khi đó, các vết nứt nhỏ không xuất hiện, các hạt điện cực sẽ không xâm nhập vào để hình thành khoáng vật. Như vậy, điện cực bán hòa tan có thể giải quyết được vấn đề làm ngắn mạch pin, pin sẽ ổn định và tăng công suất lên tối đa.

Ý tưởng được lấy cảm hứng từ pin thử nghiệm nhiệt độ cao, trong đó một hoặc cả hai điện cực bao gồm kim loại nóng chảy. Theo giáo sư Park, tác giả đầu tiên của bài báo, nhiệt độ quá cao đến mức độ nóng chảy của pin kim loại sẽ khó đưa vào một thiết bị di động như xe điện. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu đã chứng minh rằng giao diện chất lỏng có thể cho phép mật độ dòng điện cao mà không hình thành khoáng vật. “Mục tiêu ở đây là phát triển các điện cực dựa trên các hợp kim được lựa chọn cẩn thận để phục hồi của điện cực kim loại. Với hợp kim sử dụng trong nghiên cứu có thể pha lỏng hơn.” Park nói.

Ông có giải thích thêm: Hai vật liệu đối nghịch là rắn và lỏng sẽ lấp đầy một khoảng tạo ra kim loại rắn, tuy nhiên kim loại rắn có thể chảy và rồi hóa rắn trở lại. Ở nhiệt độ thông thường mà pin hoạt động tức là pin ở trong chế độ pha trộn chất liệu rắn và lỏng. Trong trường hợp này, hỗn hợp bao gồm natri và kali. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể chạy hệ thống với dòng điện lớn hơn 20 lần so với sử dụng lithium rắn, mà không hình thành bất kỳ khoáng vật nào. Bước tiếp theo là sao chép hiệu suất đó bằng điện cực chứa lithium thực tế.

Trong phiên bản thứ hai của pin rắn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lớp hợp kim natri kali lỏng rất mỏng ở giữa điện cực lithium rắn và chất điện li rắn. Họ chỉ ra rằng, cách này cũng có thể khắc phục vấn đề hình thành khoáng vật. Cách này cũng cần nghiên cứu và thử nghiệm thêm trước khi đưa ra kết quả cuối cùng.

Giáo sư Chiang cũng cho biết, hiện nay có nhiều loại pin Li trạng thái rắn và  có nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau trên thế giới. Cách nhóm ông triển khai chỉ là đang áp dụng với một loại pin, nên để đưa ra kết luận cuối cùng về cách ổn định pin Li, cần thực hiện nhiều bước nữa. Bước tiếp theo của nhóm sẽ là chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp sử dụng điện cực bán hòa tan với nhiều loại pin khác nhau. Đồng tác giả Viswanathan, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon, nói: “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể dịch phương pháp này sang bất kỳ pin Lithium-ion trạng thái rắn nào. Chúng tôi nghĩ rằng nó có thể được sử dụng ngay lập tức trong phát triển tế bào cho một loạt các ứng dụng, từ thiết bị cầm tay đến xe điện đến hàng không điện.

Nhiều nghiên cứu cải thiện pin Lithium và chế tạo dòng pin Lithium mới hứa hẹn đẩy mạnh sự phát triển của ngành công nghiệp xe điện. Điều này, khiến cho xe điện ngày càng trở thành phương tiện thân thiện với môi trường.

Hiện nay, thị trường xe điện toàn thế giới chủ yếu sử dụng pin Lithium. Tại Việt Nam, hãng xe điện đại diện toàn quốc VinFast sử dụng pin Lithium-ion trong các dòng xe của mình Klara, Impes hay Feliz.

Theo Techxplore