Công nghệ in phun chế tạo pin siêu mỏng

Quy trình sản xuất đã tới giới hạn

Hiện nay, toàn thế giới đang hướng tới việc tạo ra những nguồn năng lượng bền vững hơn, các giải pháp lưu trữ năng lượng là nhu cầu thiết yếu để hình thành một hệ thống lưới điện linh hoạt và tin cậy hơn.

Những sáng tạo tiên tiến trong công nghệ pin là tâm điểm của nhiều nhóm nghiên cứu trong những thập kỷ qua, không chỉ cho các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, mà còn cung cấp năng lượng cho những thiết bị điện tử dân dụng thông thường như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính và các thiết bị di động đặc chủng khác.

Một nhóm các nhà khoa học thuộc trường Đại học ITMO, Đại học Bách khoa St. Petersburg Peter Đại đế và Viện Ioffe đề xuất phương pháp mới sản xuất điện cực cho pin lithium-ion bằng máy in phun.

Nhóm nghiên cứu cho biết công nghệ mới sẽ giảm độ dày điện cực 10-20 lần, mở ra những khả năng mới sản xuất các thiết bị điện tử nhỏ gọn công suất lớn. 

Công nghệ in phun chế tạo các điện cực siêu mỏng

Nhưng làm thế nào để in các loại vật liệu rất nhẹ cùng một lúc chỉ trong 1 lần sản xuất? Theo nhóm nghiên cứu, các quy trình sản xuất hiện nay đạt tới giới hạn, muốn tăng dung lượng của pin buộc phải tăng đáng kể dung lượng hoặc kích thước. Tình trạng này thúc đẩy phải thay đổi quy trình sản xuất.

Trên thị trường công nghệ có hàng loạt các chất dung môi in và mực keo, khiến kỹ thuật in phun trở thành công nghệ thay thế đầy hứa hẹn cho những phương pháp chế tạo pin lithium-ion màng mỏng.

Mực in phun cho catot

Ông Denis Kolchanov, nghiên cứu sinh tiến sĩ thuộc Phòng thí nghiệm ITMO SCAMT cho biết: “Chúng tôi phát triển loại vật liệu mực in phun cho catot (cực âm). Nhờ loại mực in này, có thể tạo một lớp có độ dày khoảng 5 micromet trên đầu điện cực.

Các sản phẩm điện tử công nghiệp hiện nay sử dụng vật liệu phủ catot có độ dày 100 micromet. Các mẫu trong phòng thí nghiệm, sử dụng các công nghệ mới khác cho độ dày đến 50 micromet.

Sử dụng công nghệ in phun với loại mực in – vật liệu catot, chúng tôi có thể giảm độ dày vật liệu phủ cực âm giảm đến 10-20 lần. Không thể tạo ra lớp mỏng hơn nữa với công nghệ này, do sẽ diễn ra hiện tượng đoản mạch.

Công nghệ mới của nhóm nghiên cứu cho phép các nhà khoa học in các loại pin siêu mỏng, linh hoạt, không bị biến dạng khi bị nén, uốn cong.

Để đạt được kết quả này, các nhà khoa học sửa đổi mạng tinh thể vật liệu catot giàu Li bằng các kim loại nhẹ nhôm, natri và kali, nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng của các kim loại đến hiệu quả lưu trữ năng lượng. Những hợp chất giàu lithium ‐ mangan là phù hợp nhất cho một thành phần hoạt tính để chế tạo mực in phun.

Sau khi chế tạo thành công loại mực keo in ổn định và có độ tin cậy cao, các nhà nghiên cứu thử nghiệm khả năng hoạt động của vật liệu in phun catot, khẳng định tính khả thi của in phun như một phương pháp công nghệ mới sản xuất các pin màng mỏng.

Phát minh này có ý nghĩa vô cùng quan trọng do hiện nay, các công ty kỹ thuật - công nghệ cao đang đối mặt với những đòi hỏi khó khăn: Người dùng muốn các thiết bị điện tử ngày càng gọn nhẹ, nhưng lại muốn có được các bức ảnh và video từ màn hình thật nét, đòi hỏi năng lượng rất lớn. Hơn thế nữa, các thiết bị điện tử, trong đó có bộ lưu trữ năng lượng pin phải giảm thiểu đến tối đa xả rác thải ra môi trường và dễ dàng bị tiêu hủy, ít tốn kém năng lượng nhất.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh, ngày càng có nhiều nhu cầu về các thiết bị di động gọn nhẹ, sử dụng tương tự máy tính bảng và máy tính xách tay để có thể làm việc ở mọi nơi, mọi lúc. Để giải quyết nhu cầu bức thiết này, hiện các nhà công nghệ đang thiết kế các thiết bị có thể gập lại và có thể mở rộng khi thực hiện nhiệm vụ.

Theo lý thuyết, những thành công trong quá trình phát triển sản phẩm theo hướng nghiên cứu có thể được sử dụng để chế tạo ra những thiết bị gọn nhẹ, linh hoạt như vậy. Phát minh các điện cực mỏng sẽ có khả năng rất lớn do không biến dạng khi bị uốn cong. Đặc tính này sẽ cho phép nhà sản xuất sử dụng điện cực mỏng trong các thiết bị di động đặc thù cần màn hình lớn và nhiều bộ khí tài tích hợp, có thể thu gọn khi di chuyển và triển khai đầy đủ khi làm việc.