Đột phá trong sử dụng silicon chế tạo pin

Giải quyết những nhược điểm trong silicon

Một nhóm nghiên cứuđưa ra một phương pháp mới, có thể sử dụng được thành phần lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn nhưng cũng có nhiều khó khăn thách thức này.

Silicon, chất bán dẫn được sử dụng trong chip máy tính và nhiều sản phẩm công nghệ điện tử khác, rất hấp dẫn bởi vật chất này có thể giữ điện tích gấp 10 lần trong mỗi gram so với than chì. Trở ngại then chốt là, silicon giãn nở rất nhiều khi tiếp xúc với lithium và quá yếu để có thể chịu được áp lực trong quá trình sản xuất các điện cực.

Để giải quyết những trở ngại này, nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương thuộc Bộ Năng lượng Mỹ  do Ji-Guang (Jason) Zhang và Xiaolin Li dẫn đầu phát triển một cấu trúc nanô độc đáo, hạn chế sự giãn nở của silicon và tăng cường độ chịu lực nén bằng carbon.

Than chì là một dạng cấu trúc phân tử của carbon, dẫn điện và có hình dạng ổn định với áp lực, rất phù hợp để đóng gói các ion lithium vào cực dương của pin khi sạc. Silicon có thể hấp thụ nhiều lithium hơn than chì, nhưng lại có có xu hướng giãn nở đến 300 phần trăm thể tích, khiến cực dương bị nứt vỡ.

Các nhà nghiên cứu phát triển một loại vật liệu silicon có cấu trúc dạng xốp, tích hợp các hạt silicon nhỏ vào một quả cầu rỗng siêu nhỏ, có đường kính khoảng 8 micromet - gần bằng kích thước của một tế bào hồng cầu.

"Một vật liệu cứng rắn như đá, sẽ vỡ nếu nếu mở rộng quá nhiều về thể tích", Zhang nói. "Chúng tôi tạo ra loại vật chất giống như bọt biển, có không gian bên trong rỗng để hấp thụ sự giãn nở."

Những nghiên cứu thực tế cho thấy, điện cực cấu trúc silicon xốp chỉ thay đổi độ dày dưới 20% nhưng cung cấp điện tích gấp đôi điện cực của điện cực than chì thông thường.

Nhưng hơn hẳn các phiên bản trước đây của silicon xốp, các quả cầu rỗng siêu nhỏ thể hiện sức mạnh cơ học phi thường, do có các ống nano carbon khiến các quả cầu giống như những quả bóng quấn bằng sợi.

Những quả cầu rỗng siêu nhỏ và siêu bền

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra cấu trúc này theo nhiều bước, bắt đầu bằng cách tráng phủ các ống nano carbon bằng oxit silic. Sau đó, những ống nano được đưa vào một hỗn hợp nhũ tương dầu và nước và được đun nóng lên đến sôi.

Những ống nano carbon tráng phủ oxit silic ngưng tụ thành các quả cầu khi nước bay hơi. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng nhôm và nhiệt độ cao để chuyển hóa oxit silic thành silic, bước tiếp theo, những quả cầu siêu nhỏ này được ngâm trong nước và axit, loại bỏ các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình sản xuất.

Sợi nano carbon và nhũng hạt nhỏ silicon và quả cầu sợi

Thứ nổi lên trên bề mặt quá trình này là một loại bột của các quả cầu sợi siêu nhỏ, trong đó những hạt silicon nhỏ bám trên bề mặt ống nano carbon.

Độ vững chắc của những quả cầu silicon xốp được kiểm tra bằng đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử. Các nhà nghiên cứu nhận thấy, một trong những quả bóng sợi nano có thể móp lại một chút và mất một chút độ xốp dưới lực nén rất cao, nhưng không bị vỡ.

Tính chất này có ý nghĩa lớn trong quá trình thương mại hóa sản phẩm, do vật liệu chế tạo anode phải có khả năng chịu được độ nén cao giữa các con lăn trong quá trình sản xuất.

Nhà khoa học Zhang cho biết, bước tiếp theo là phát triển những phương pháp chế tạo loại vật chất mới, có thể mở rộng sản xuất công nghiệp và kinh tế hơn, đẻ có thể đưa vào sản xuất thế hệ pin lithium-ion hiệu suất cao tiếp theo.

Thái Bằng (theo SciensceDaily)