Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) phối hợp cùng Đại học Chicago vừa công bố một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực pin thể rắn toàn phần (All-solid-state battery). Nghiên cứu mới được kỳ vọng sẽ góp phần thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ trong ngành giao thông vận tải và lưu trữ năng lượng sạch trong tương lai.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp mới không chỉ giúp tăng đáng kể mật độ năng lượng mà còn kéo dài tuổi thọ chu kỳ sạc – xả của pin thêm hàng trăm chu kỳ. Đây được xem là hai yếu tố then chốt quyết định khả năng thương mại hóa của pin thể rắn thế hệ mới.

Pin thể rắn – Công nghệ pin đầy triển vọng

Khác với pin lithium-ion truyền thống sử dụng chất điện giải dạng lỏng hoặc gel, pin thể rắn toàn phần sử dụng hoàn toàn các thành phần ở trạng thái rắn. Cấu tạo của pin vẫn bao gồm cực dương (catốt), cực âm (anốt) và chất điện giải – nơi các ion di chuyển trong quá trình sạc và xả điện.

Công nghệ pin thể rắn được đánh giá có nhiều ưu điểm vượt trội như độ an toàn cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn, tuổi thọ dài hơn và đặc biệt là mật độ năng lượng lớn hơn, cho phép lưu trữ nhiều điện năng hơn trên cùng một khối lượng pin. Đây là lý do pin thể rắn được xem là nền tảng tiềm năng cho xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ mới.

Tuy nhiên, quá trình phát triển loại pin này vẫn gặp nhiều thách thức, trong đó nổi bật là vấn đề kết nối kém giữa chất điện giải rắn và vật liệu catốt. Giao diện này có thể làm cản trở dòng di chuyển của ion lithium, khiến hiệu suất pin suy giảm.

Ông Khalil Amine cho biết, việc giải quyết các vấn đề tại giao diện là chìa khóa để hiện thực hóa tiềm năng của pin thể rắn toàn phần.

Đột phá từ phương pháp trộn tốc độ cao

Nhóm nghiên cứu do Khalil Amine và nhà hóa học Guiliang Xu dẫn dắt đã tập trung cải thiện hiệu suất của pin lithium-lưu huỳnh thể rắn cùng nhiều loại pin hóa học tương tự.

Các nhà khoa học phát hiện rằng bằng cách trộn nhanh chất điện giải rắn với vật liệu catốt và các thành phần khác của pin ở tốc độ khoảng 2.000 vòng/phút trong suốt 5 giờ, họ có thể kích hoạt hiện tượng gọi là “phân tách halogen”.

Trong quá trình này, các nguyên tử lithium liên kết với clo, brom và các nguyên tố halogen khác sẽ di chuyển đến khu vực giao diện bên trong pin. Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng dẫn truyền ion lithium, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của pin.

Theo kết quả thử nghiệm, các pin được xử lý bằng phương pháp phân tách halogen cho hiệu suất vượt trội hơn nhiều so với pin thông thường cũng như các phương pháp cải thiện hiệu suất khác như phủ bề mặt, thêm chất xúc tác hoặc pha tạp vật liệu.

Hiệu suất vượt giới hạn lý thuyết

Một số mẫu pin thử nghiệm thậm chí đạt mật độ năng lượng vượt giới hạn lý thuyết đối với loại pin này. Đặc biệt, pin vẫn duy trì hiệu suất tối đa sau hơn 100 chu kỳ sạc – xả và giữ được trên 80% hiệu suất sau khoảng 450 chu kỳ hoạt động.

Điểm đáng chú ý là toàn bộ quá trình hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng mà không cần gia nhiệt bổ sung, mở ra khả năng ứng dụng thương mại thuận lợi hơn trong tương lai.

Nhóm nghiên cứu cho rằng phản ứng cơ hóa học sinh ra từ quá trình trộn tốc độ cao đã tạo ra nhiệt và lực cắt đủ mạnh để kích hoạt sự phân tách halogen, từ đó cải thiện khả năng di chuyển của ion lithium bên trong pin.

Tiềm năng mở rộng sang nhiều loại pin khác

Ngoài pin lithium-lưu huỳnh, các nhà khoa học cũng thử nghiệm phương pháp này với pin sử dụng catốt chứa selen và tellurium – những nguyên tố có đặc tính hóa học tương tự lưu huỳnh. Kết quả cho thấy hiện tượng phân tách halogen tiếp tục xuất hiện và hiệu suất pin cũng được cải thiện rõ rệt.

Điều này cho thấy công nghệ trộn tốc độ cao có thể trở thành giải pháp tiềm năng nhằm giải quyết các vấn đề giao diện trong nhiều loại pin thể rắn khác nhau, góp phần thúc đẩy quá trình thương mại hóa công nghệ pin thế hệ mới.

Để quan sát hiện tượng ở cấp độ nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hàng loạt công nghệ tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua nhiệt độ cực thấp tại Trung tâm Vật liệu Nano và kỹ thuật lập bản đồ phổ hấp thụ tia X tại Nguồn Photon Tiên tiến của Argonne. Các thí nghiệm bổ sung cũng được thực hiện tại nhiều cơ sở nghiên cứu lớn khác của Hoa Kỳ.

Các chuyên gia nhận định nếu tiếp tục được hoàn thiện, công nghệ pin thể rắn có thể mở ra bước đột phá lớn cho ngành xe điện, lưu trữ năng lượng tái tạo và nhiều lĩnh vực công nghệ cao trong tương lai.

Nguồn: Tổng hợp