Giải pháp đột phá cho pin kim loại lithium

Đuôi gai trong pin lithium

Tuy nhiên, ứng dụng của pin kim loại lithium bị giới hạn trong phòng thí nghiệm do tính bất ổn định và không có khả năng sạc lại. Các nhà khoa học đã nghiên cứu liên tục trong 50 năm, nhưng chỉ cải tiến công nghệ được rất ít, không thể đưa công nghệ này gần với khả năng thông thường của pin lithium ion.

Pin lithium ion sử dụng than chì trong cực dương, pin kim loại lithium sử dụng lithium kim loại, trên bề mặt thường hình thành các sợi nhánh (mọc tua tủa như lông), đó là cấu trúc tinh thể giống như cành cây - hình thành trên cực dương pin trong khi sạc điện.

Những nhánh này nhọn và cứng, có thể gây ra tác hại đáng kể đến trạng thái ổn định của pin, những thanh này có thể xuyên qua cấu trúc, được gọi là dải phân cách trong pin, dẫn đến mất an toàn trong sử dụng, nhanh chóng sụt điện áp và cháy pin rất nhanh.

Trong một báo cáo khoa học gần đây, được đăng trên tạp chí Vật liệu Tiên tiến ( Advanced Materials), các nhà nghiên cứu từ Đại học California San Diego phát triển một thiết bị phát sóng siêu âm nhằm giảm thiểu sự hình thành của các nhánh tinh thể gai – trở ngại cản trở việc đưa vào thương mại hóa pin kim loại lithium dù có những ưu điểm vượt trội khác hơn hẳn pin lithium ion.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một thiết bị phát sóng âm bề mặt (SAW), có kích thước nhỏ gần bằng móng tay để tạo ra dòng chảy hoặc dòng điện trong chất lỏng điện phân giữa cực dương và cực âm của pin.

Theo Ping Liu, giáo sư kỹ thuật nano tại trường Jacobs và một trong những tác giả chính của bài báo và James Friend, giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ Trường Kỹ thuật Jacobs, UC San Diego, hầu hết những nỗ lực nghiên cứu pin tập trung vào việc tìm ra các loại hóa chất hoàn hảo để phát triển công nghệ sao cho pin được sử dụng lâu hơn và sạc nhanh hơn.

Nhưng những nỗ lực này không giải quyết hiệu quả sự hình thành đuôi gai trong pin kim loại lithium.

Pin điện và sự hình thành đuôi gai tinh thể trên cực dương. Ảnh Advanced Science News

Sạc pin nhanh và năng lượng cao

Sự khuếch tán của các ion Li + rất quan trọng đối với hiệu suất pin lithium. Vấn đề then chốt ở hầu hết các pin là sẽ hình thành  một trường (gradient) tập trung ion Li + cao trong chất điện phân xung quanh cực dương, trong quá trình sạc pin, dẫn đến sự lắng đọng của lithium trở lại trên bề mặt cực dương (hình thành đuôi gai).

Ông Liu phát biểu trong một thông cáo báo chí: Đây là một giải pháp thú vị và hiệu quả sự chuyển động của chất lỏng giữa cực dương và cực âm sẽ loại bỏ sự hình thành các gradient này, phân bố đồng đều hơn các ion Li + trong dung dịch, nhiều khả năng khiến cho lithium đọng lại trên cực dương đồng đều hơn. Tình trạng này cho phép sạc pin nhanh và năng lượng cao, tất cả trong một.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được, pin kim loại lithium chứa SAW có thể sạc và phóng điện hơn 200 lần, nhưng vẫn duy trì 82% công suất ban đầu của pin.

Nhóm nhà khoa học cho rằng, mô hình cải tiến pin này độc lập hoàn toàn với hóa học, do đó có thể được áp dụng cho bất kỳ hệ thống pin nào.

“Chúng tôi có được sự tự do trong việc lựa chọn công thức điện hóa và phương pháp khai thác sử dụng pin từ công nghệ đơn giản này. Công nghệ mới cho phép pin sạc điện nhiều lần, có hiệu quả cao hơn, tiện dụng và ổn đinh cho nhiều ứng dụng hiện tại và tương lai”.

Ông Haodong Liu, nghiên cứu sinh tiến sĩ về nano ở trường Jacobs, đồng tác giả của công trình nghiên cứu cho biết:  Bước tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu tích hợp công nghệ này vào pin lithium ion dành cho thương mại, đây sẽ là một bước ngoặt mang tính cách mạng đối với lĩnh vực pin điện sạc nhiều lần hiện nay.