Công nghệ bán dẫn giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn trong pin xe điện

Xe điện (EV) đang phát triển nhanh chóng, tuy nhiên pin Lithium-ion (Li-ion) có thể xảy ra nguy cơ cháy nổ. Có nhiều cách để giải quyết vấn đề này, đối với các nhà nghiên cứu Hàn Quốc, họ đã sử dụng công nghệ bán dẫn để cải thiện sự an toàn trong khi sử dụng xe điện. Công nghệ đang ngày càng tối ưu hiệu suất và công năng của xe điện.

Chất bán dẫn là gì? Sự phát triển của công nghệ bán dẫn

Chất bán dẫn hay Semiconductor là chất có điện nằm ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. Đó là nguyên tố tinh khiết silicon và germanium, các hợp chất gallium arsenide, cadmium selenide. Chất bán dẫn là thành phần cơ bản của các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số. Chất bán dẫn cũng là một trong những thành phần không thể thiếu trong pin Li-metal (đang được nghiên cứu để thay thế cho pin truyền thống Li-ion ngày nay). 

Công nghệ bán dẫn đã xuất hiện từ rất lâu trong lĩnh vực linh kiện điện tử trên thế giới. Nhưng đối với một nước đang phát triển như Việt Nam thì đây là một ngành mới lạ. Với những vai trò to lớn của chất bán dẫn, công nghệ bán dẫn đang dần trở thành động lực chính của ngành công nghiệp điện tử.

Công nghệ bán dẫn được áp dụng trong pin EV

Một nhóm nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) do Tiến sĩ Joong Kee Lee của Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Năng lượng dẫn đầu đã thành công trong việc hình thành các lớp thụ động bán dẫn bảo vệ trên bề mặt điện cực Li để ức chế sự phát triển của khoáng vật, tinh thể có nhiều nhánh gây cháy pin EV. Nhóm này tối ưu mục tiêu bằng cách đưa chất bán dẫn vào trong pin Li.

Quá trình đầu tiên của nghiên cứu họ thấy rằng: Pin Li-ion được sạc, các ion Li được vận chuyển đến cực dương (điện cực âm) và được lắng đọng trên bề mặt dưới dạng kim loại Li; khi đó khoáng vật dạng hình cây hình thành. Những khoáng vật Li làm mất khả năng kiểm soát thể tích và dẫn đến phản ứng giữa điện cực rắn và chất điện ly lỏng, gây ra hỏa hoạn. Điều này làm giảm nghiêm trọng hiệu suất pin.

Để ngăn chặn sự hình thành khoáng vật dạng hình cây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một vật liệu bán dẫn dẫn điện tử cao. Đó là thạch anh lục (plasma) kết hợp với fullerene (C60) làm hình thành các lớp bán dẫn cacbonat thụ động giữa điện cực Li và chất điện ly. Các lớp bán dẫn cacbonat thụ động cho phép các ion Li đi qua còn các điện tích e chặn lại do tạo ra hàng rào Schottky. Khi chặn các điện tích e và ion tương tác trên bề mặt và bên trong điện cực, sẽ ngăn chặn sự hình thành các tinh thể Li và các khoáng vật dạng cây.

Sự ổn định của các điện cực với các lớp bán dẫn cacbonat thụ động  đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng các tế bào đối xứng Li/Li trong môi trường điện hóa cực đoan. Môi trường điện hóa cực đoan là nơi các điện cực Li điển hình vẫn ổn định trong tối đa 20 chu kỳ sạc/xả. Các điện cực mới được phát triển cho thấy sự ổn định được tăng cường đáng kể, với sự tăng trưởng khoáng vật của Li, chu kỳ sạc/xả bị ức chế lên đến 1.200. Hơn nữa, sử dụng cực âm lithium coban oxit (LiCoO2) ngoài điện cực phát triển thì khoảng 81% dung lượng pin ban đầu được duy trì sau 500 chu kỳ, và khoảng 60% so với các điện cực Li thông thường.

Ý nghĩa của công nghệ bán dẫn

Các nhà nghiên cứu Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) đang xem xét chất bán dẫn chuỗi carbon polymer hóa plasma cho các điện cực lithium. 

Tiến sĩ Joong Kee Lee, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết: “Việc ngăn chặn tốc độ tăng trưởng khoáng vật trên các điện cực Li là cách để cải thiện sự an toàn pin. Trong nghiên cứu này, công nghệ phát triển các điện cực Li-metal an toàn cao đưa ra, với mục tiêu cung cấp một kế hoạch chi tiết cho sự phát triển của pin thế hệ tiếp theo không gây nguy cơ hỏa hoạn.” Tiến sĩ Lee nói rằng mục tiêu tiếp theo của nhóm là đưa công nghệ pin Li-metal mới vào thương mại hóa: “Chúng tôi đặt mục tiêu sẽ chế tạo các lớp bán dẫn cacbonat thụ động  hiệu quả hơn về chi phí bằng cách thay thế fullerene bằng các vật liệu ít tốn kém hơn.”

Pin Li-metal đang được nhiều ông lớn trong ngành sản xuất pin nghiên cứu để đưa vào sử dụng. Với mong muốn, tăng hiệu suất pin mà vẫn giảm chi phí sản xuất và sử dụng, pin EV mới hứa hẹn là giải pháp tối ưu cho tương lai. Khi pin Li-metal nghiên cứu và thử nghiệm thành công sẽ giúp rút ngắn công cuộc cách mạng hóa xe điện. Chiến dịch phương tiện “xanh” góp phần bảo vệ môi trường từ khí thải giao thông. 

Theo Techxplore