Các nhà khoa học đang nghiên cứu nhằm cải tiến hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium

Các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã theo đuổi bước đột phá này trong nhiều năm.
Các nhà khoa học đang nghiên cứu nhằm cải tiến hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium
Pin thể rắn cho xe điện EV.

Việc phát triển một loại pin lithium có thể sạc lại mới, mà các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã theo đuổi trong nhiều năm, nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn và an toàn hơn các loại hiện tại, giờ đây có thể khả thi nhờ một khám phá của các nhà nghiên cứu MIT.

Hiện tại, có hai thành phần thiết yếu của tiến bộ đầy triển vọng này trong công nghệ pin.

Một là thay thế chất điện phân lỏng giữa các điện cực dương và âm bằng một lớp vật liệu gốm rắn mỏng hơn, nhẹ hơn đáng kể. Thứ hai là thay thế một điện cực bằng kim loại lithium rắn.

Bằng cách này, tổng kích thước và trọng lượng của pin được giảm đáng kể và chất điện phân lỏng dễ cháy gây nguy hiểm cho sự an toàn sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên, đuôi gai đã được chứng minh là một rào cản đáng kể trong nỗ lực đó.

Cho đến nay, những gì tạo ra đuôi gai hoặc làm thế nào để ngăn chặn chúng là một bí ẩn
Dendrites là sự tăng trưởng kim loại có thể tích tụ trên bề mặt lithium, xuyên qua chất điện phân rắn và cuối cùng đi từ điện cực này sang điện cực khác, làm đoản mạch pin. Tên của họ có nguồn gốc từ tiếng Latin cho các chi nhánh. 

Cho đến nay, vẫn chưa có nhiều tiến bộ trong việc tìm hiểu nguyên nhân gây ra các sợi kim loại này hoặc cách ngăn chúng xảy ra, khiến pin thể rắn nhẹ trở thành một giải pháp thay thế thiết thực.

ADDAFFI

Nghiên cứu mới vượt qua niềm tin trước đây rằng các sợi nhánh hình thành bởi các quá trình cơ học
Nghiên cứu mới, được công bố hôm nay (18/11), không chỉ trả lời câu hỏi điều gì kích hoạt sự phát triển của đuôi gai mà còn chứng minh làm thế nào để ngăn đuôi gai đâm vào chất điện phân.

Những phát hiện của nhóm cho thấy những căng thẳng cơ học là nguyên nhân tạo ra vấn đề. Trước đây, một số nhà nghiên cứu tin rằng đuôi gai được hình thành chỉ bởi một quá trình điện hóa chứ không phải cơ học.

Trong một nghiên cứu trước đó, nhóm nghiên cứu đã có một khám phá "ngạc nhiên và bất ngờ". Trong quá trình sạc và xả pin, sự luân chuyển qua lại của các ion khiến thể tích của các điện cực thay đổi.

Sản xuất dendrite là do sự thay đổi thể tích của chất điện phân ở trạng thái rắn
Nhóm nghiên cứu lập luận rằng sự thay đổi thể tích này chắc chắn gây ra ứng suất trong chất điện phân rắn, chất này phải tiếp xúc hoàn toàn với các điện cực mà nó kẹp giữa.

Giáo sư Yet-Ming Chiang của MIT cho biết: "Có sự gia tăng về thể tích ở phía bên của tế bào nơi lithium đang được lắng đọng. Và nếu có những lỗ hổng cực nhỏ xuất hiện, điều này sẽ tạo ra áp lực lên những lỗ hổng đó có thể gây ra nứt vỡ". đồng tác giả của nghiên cứu trong một thông cáo báo chí.

Nhóm nghiên cứu hiện đã chứng minh được rằng những lực đó là nguyên nhân gây ra các vết nứt cho phép các sợi nhánh hình thành. Thêm căng thẳng theo hướng lý tưởng và với sức mạnh hoàn hảo là câu trả lời cho vấn đề.

Giống như ép một chiếc bánh sandwich từ một bên, các sợi nhánh có thể trở nên vô hại
Các đuôi gai có thể trở nên vô hại bằng cách được định hướng bằng áp lực để duy trì song song với hai điện cực và không bao giờ bắt chéo sang phía đối diện. Hướng này sẽ giống như bạn đang ép một chiếc bánh sandwich từ hai bên.

Điều đó cuối cùng có thể làm cho việc sản xuất pin sử dụng chất điện phân rắn và điện cực lithium kim loại trở nên khả thi. Những thứ này không chỉ đóng gói nhiều năng lượng hơn vào một thể tích và trọng lượng nhất định mà còn loại bỏ nhu cầu sử dụng chất điện phân lỏng, vốn là những vật liệu dễ cháy.

Điều đó cuối cùng có thể làm cho việc sản xuất pin với các điện cực lithium kim loại và chất điện phân rắn trở nên khả thi. Những thứ này không chỉ chứa nhiều năng lượng hơn cho một thể tích và trọng lượng nhất định, mà còn loại bỏ sự cần thiết của chất điện phân lỏng dễ cháy.

ADDAFFI

“Tôi muốn nói rằng đây là sự hiểu biết về các chế độ hỏng hóc trong pin thể rắn mà chúng tôi tin rằng ngành công nghiệp cần nhận thức được và cố gắng sử dụng để thiết kế các sản phẩm tốt hơn”, Chiang nói.

Theo Chiang, bước tiếp theo của nhóm sẽ là cố gắng áp dụng những khái niệm này vào việc sản xuất một loại pin nguyên mẫu có chức năng. Sau đó, họ sẽ xác định chính xác những kỹ thuật sản xuất nào sẽ được yêu cầu để chế tạo những loại pin như vậy với số lượng lớn.

Ông tuyên bố rằng mặc dù họ đã đăng ký bằng sáng chế, nhưng các nhà nghiên cứu không có ý định tiếp thị công nghệ này vì các doanh nghiệp khác hiện đang tham gia nghiên cứu và phát triển pin thể rắn.

Ngân Nguyễn
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM