Trong hành trình tìm kiếm giải pháp tích trữ thêm năng lượng mà không làm tăng trọng lượng hay khối lượng thì pin thể rắn là một công nghệ đầy hứa hẹn.
GS. Bilge Yildiz ở Khoa Khoa học-Kỹ thuật hạt nhân tại Viện công nghệ Massachuset (MIT), cho biết, sở dĩ pin thể rắn chưa được thương mại hóa trên quy mô lớn vì hai vấn đề: thứ nhất, chất điện phân rắn có độ dẫn điện thấp hơn chất điện phân lỏng; và thứ hai, bề mặt tiếp xúc của chúng không ổn định. Trong khi vấn đề thứ nhất đã được giải quyết thì vấn đề thứ hai lại thách thức hơn. Đây chính là nút thắt mà nhóm nghiên cứu của GS. Yildiz muốn tìm cách xử lý.
Pin thể rắn là một công nghệ hứa hẹn của tương lai | Ảnh: medium
Cô cho biết, sự bất ổn của bề mặt tiếp xúc có thể xảy ra trong cả quá trình sản xuất pin và hoạt động điện hóa của pin khi sử dụng. Hiện tại, nhóm nghiên cứu của cô mới tập trung vào khâu sản xuất, đặc biệt là tại giai đoạn thiêu kết (sintering), là khi các vật liệu pin được nung nóng để tạo nên mối liên kết giữa các lớp điện cực âm và chất điện phân làm từ hợp chất gốm. Sở dĩ cần có giai đoạn này vì nếu chỉ ép các lớp gốm lại với nhau thì giữa chúng vẫn có quá nhiều khoảng trống và tạo ra điện trở cao trên bề mặt. Quá trình thiêu kết, thường được thực hiện ở nhiệt độ từ 1.000 độ C trở lên đối với vật liệu gốm, để khiến các nguyên tử ở vật liệu này di chuyển vào vật liệu khác, tạo ra mối liên kết.
Phương pháp mới mà các nhà nghiên cứu khám phá ra chỉ đơn giản là loại bỏ bất kỳ CO2 nào có trong quá trình thiêu kết. Dựa trên các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu thấy, ở bất kì nhiệt độ nào trên vài trăm độ, mỗi khi xuất hiện CO2, dù là rất nhỏ (đo bằng vài phần triệu), thì các phản ứng bất lợi cũng sẽ diễn ra, làm tăng điện trở ở bề mặt tiếp xúc
Nếu thực hiện thiêu kết trong môi trường oxy tinh khiết ở nhiệt độ lên tới 700 độ C, các liên kết tạo ra sẽ có hiệu quả “sánh ngang với các lớp phủ bề mặt tốt nhất mà chúng ta đã thấy trong các tài liệu" và không hình thành nên những hợp chất bất lợi. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu theo dõi hiệu suất pin để biết những liên kết ở mặt phân cách có thể duy trì như thế nào trong suốt vòng đời pin.
GS. Yildiz nói rằng phát hiện mới của họ có khả năng áp dụng nhanh chóng vào quá trình sản xuất pin, vì những gì họ đề xuất là một quá trình tương đối đơn giản, không tốn thêm nhiều năng lượng khi chế tạo, và chi phí thêm [cho khâu thiêu kết] là không đáng kể.
Những lợi ích tiềm năng mà pin thể rắn đem lại khiến người ta nghĩ đến việc có thể dùng kim loại lithium tinh khiết để làm một điện cực. Nó sẽ nhẹ hơn nhiều so với các điện cực làm bằng than chì tẩm lithium như hiện nay.
Hiện nay, một số công ty lớn như Toyota đã trong quá trình thương mại hóa các phiên bản đầu tiên của pin lithium-ion thể rắn, và những phát hiện mới này có thể nhanh chóng giúp các công ty như vậy cải thiện tính kinh tế và độ bền của công nghệ.
Kết quả nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chíAdvanced Energy Materials.
Nguồn:
Younggyu Kim et al, Avoiding CO 2 Improves Thermal Stability at the Interface of Li7La3Zr2O12 Electrolyte with Layered Oxide Cathodes,
Advanced Energy Materials (2022). DOI:
10.1002/aenm.202102741