Pin lithium thể rắn trở thành một xu hướng nghiên cứu mới trong khoa học và kỹ thuật vật liệu vì pin lithium-ion thông thường không còn đáp ứng những tiêu chuẩn cho các công nghệ tiên tiến như xe ô tô điện, đòi hỏi mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và chu kỳ sử dụng dài.
Những loại pin hoàn toàn trạng thái rắn, sử dụng chất điện phân rắn thay cho chất điện phân lỏng trong pin truyền thống, không chỉ đáp ứng những tiêu chuẩn này mà còn tương đối an toàn và thuận tiện hơn do có khả năng sạc trong thời gian ngắn.
Tuy nhiên, chất điện ly rắn có những thách thức lớn. Mặt tiếp xúc giữa điện cực dương và chất điện phân rắn hiện diện một điện trở lớn, nguồn gốc xuất hiện điện trở chưa được làm rõ.
Điện trở gia tăng khi bề mặt điện cực tiếp xúc với không khí, làm suy giảm dung lượng và hiệu suất của pin. Mặc dù các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu làm giảm điện trở, nhưng không thể hạ xuống dưới 10 Ω cm2, giá trị điện trở giao diện đo được khi không tiếp xúc với không khí.
Ủ nóng làm giảm điện trở cực dương của pin lithium thể rắn. Ảnh: Shigeru Kobayashi và Taro Hitosugi thuộc Học viện Công nghệ Tokyo.
Trong một nghiên cứu, được công bố trên Tạp chí ACS Applied Materials & Interface, nhóm nhà khoa học do GS Taro Hitosugi thuộc Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), Nhật Bản và Shigeru Kobayashi, nghiên cứu sinh tại Tokyo Tech dẫn đầu đã giải quyết được thách thức này.
Nhóm nghiên cứu thiết lập thành công một phương pháp khôi phục điện trở giao diện thấp đồng thời làm sáng tỏ cơ chế khiến pin suy giảm dung lượng và hiệu suất, cung cấp những hiểu biết quan trọng về quy trình sản xuất pin thể rắn hiệu suất cao.
Khởi đầu quá trình nghiên cứu, nhóm nhà khoa học chuẩn bị một pin màng mỏng có một điện cực âm lithium, một điện cực dương LiCoO2 và một chất điện phân rắn Li3PO4. Trước khi hoàn thành quá trình chế tạo pin, nhóm nghiên cứu cho bề mặt LiCoO 2 tiếp xúc với không khí, nitơ (N2), oxy (O2), carbon dioxide (CO2), hydro (H2) và hơi nước (H2O) trong 30 phút.
Trong quá trình thực nghiệm, các nhà khoa học phát hiện, bản giao diện cực dương khi tiếp xúc với N2, O2, CO2 và H2, không làm giảm hiệu suất của pin so với khi pin không tiếp xúc. GS Hitosugi cho biết, chỉ hơi nước (H2O) làm suy giảm mạnh hiệu suất trên giao diện Li3PO4 - LiCoO2, gia tăng điện trở giao diện cực dương lên cao hơn 10 lần so với giá trị giao diện khi chưa tiếp xúc với không khí.
Sau đó, nhóm nghiên cứu thực hiện một quy trình, được gọi là “ủ nóng”. Nguyên mẫu pin với điện cực âm được in 3D lắng đọng được xử lý nhiệt ở 150°C trong 1 giờ. Giải pháp này làm giảm điện trở xuống 10,3 Ωcm2, tương đương với pin chưa tiếp xúc không khí.
Thực hiện những mô phỏng kỹ thuật số và các phép đo tiên tiến, nhóm nghiên cứu xác định được, tình huống giảm điện trở có thể có nguyên nhân từ sự loại bỏ tự nhiên các proton trong cấu trúc LiCoO2 khi ủ nóng.
Nghiên cứu cho thấy, các proton trong cấu trúc cực dương LiCoO2 đóng vai trò quan trọng trong quá trình phục hồi điện trở thấp. Các nhà khoa học sẽ làm sáng tỏ các quy trình vi mô giao diện này và ảnh hưởng của các proton trong cực dương LiCoO2, từ đó mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi pin lithium thể rắn.
