MỸ – Kể từ đầu những năm 2000, pin lithium-ion (li-ion) đã trở thành nguồn năng lượng sạc lại phổ biến nhất cho các thiết bị di động, xe điện, lưới lưu trữ năng lượng tái tạo và nhiều ứng dụng khác. Tuy nhiên, các dòng pin li-ion thương mại hiện nay vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn và hạn chế về mặt hiệu suất.
Giáo sư Julia R. Greer, chuyên gia về khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật y sinh tại viện công nghệ California (Caltech – California institute of technology), cùng phòng thí nghiệm của bà đã tìm ra một giải pháp mới giúp pin li-ion an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Cô Yingjin Wang, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Greer và là tác giả chính của bài báo được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters mô tả về loại điện cực mới này, chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp linh hoạt để chế tạo các điện cực pin có cấu trúc không gian ba chiều (3D) từ những vật liệu an toàn hơn. Bằng cách sử dụng lithium iron phosphate (LFP) kết hợp với mạng lưới carbon, nhóm đã loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng cobalt, một nguyên tố nguy hiểm, đồng thời nâng cao độ bền cơ học của pin.”
Cấu tạo của một viên pin cơ bản gồm 5 thành phần chính: cực âm (anode); cực dương (cathode); chất điện phân (môi trường hóa học giúp vận chuyển các ion giữa các điện cực); màng ngăn xốp đặt giữa hai điện cực để ion đi qua mà không làm hai cực chạm nhau; và các bộ thu dòng điện, có nhiệm vụ tiếp nhận dòng điện sinh ra từ quá trình trao đổi ion điện hóa.
Nghiên cứu của Giáo sư Greer và cô Wang tập trung vào việc phát triển một loại cực dương với đặc tính đặc biệt: có cấu trúc 3D và được chế tạo bằng công nghệ sản xuất chồng lớp (in 3D). Hầu hết các điện cực pin li-ion hiện nay đều ở dạng phẳng (mỏng và dẹt); việc bổ sung chiều thứ ba và định hình lại cấu trúc điện cực sẽ tạo ra các đường dẫn hiệu quả hơn cho quá trình vận chuyển ion và electron.
Những bề mặt điện cực này chính là nơi năng lượng hóa học tích trữ trong các ion chuyển hóa thành điện năng, Giáo sư Greer giải thích: “Nếu chế tạo pin theo cấu trúc 3D thay vì dạng phẳng, mỗi ion lithium khi di chuyển qua chất điện phân đều sẽ tiếp cận được một bề mặt hoạt tính có sẵn. Nhóm nghiên cứu đánh giá đây là một lợi thế lớn vì nó giúp tách biệt khoảng cách khuếch tán ở trạng thái rắn và trạng thái lỏng. Chất điện phân ở dạng lỏng, nên khi len lỏi qua cấu trúc như một mê cung này, nó có thể tiếp xúc với bề mặt rắn ở bất kỳ vị trí nào.”
Nhờ rút ngắn quãng đường di chuyển của các ion giữa cực dương và màng ngăn, cấu trúc này cho phép đạt được mật độ công suất cao hơn, yếu tố quyết định tốc độ giải phóng năng lượng dự trữ của pin.
Một vấn đề lớn khác của pin li-ion hiện nay là nhiều loại cực dương có chứa cobalt, một kim loại quý hiếm tập trung ở một số khu vực trên thế giới và thường được khai thác bằng các phương thức có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến con người và môi trường. Trong khi đó, vật liệu LFP có độ an toàn cao hơn so với cobalt; nếu xảy ra hiện tượng sạc quá mức, pin LFP ít có nguy cơ bốc cháy hoặc chập mạch so với các loại pin dùng cực dương cobalt.
Giáo sư Greer nói thêm: “Bản thân vật liệu LFP không phải là vật liệu mới, nhưng việc ứng dụng công nghệ sản xuất chồng lớp để tạo ra một điện cực có cấu trúc định hình và không chứa cobalt là một bước tiến hoàn toàn mới”, đồng thời lưu ý thêm rằng cobalt có giá thành cao và khó tái chế, do đó việc loại bỏ chất này mang lại rất nhiều lợi ích kinh tế lẫn môi trường.
Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là thiết kế một cực âm cấu trúc 3D tương thích để hoàn thiện một viên pin có toàn bộ các điện cực đều ở dạng cấu trúc 3D, từ đó đạt được cả mật độ năng lượng lẫn mật độ công suất cao.
Nghiên cứu sinh Wang nói: “Điện cực LFP định hình cấu trúc vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu mới. Quá trình chế tạo thực sự khó khăn vì có quá nhiều thông số kỹ thuật cần tối ưu hóa chính xác. Về lý thuyết, nếu có thể tích hợp thêm chất điện phân polymer hoặc gốc polymer vào hệ thống này để biến nó thành một viên pin thể rắn, đó sẽ là một thành tựu tuyệt vời”.
Pin thể rắn là mục tiêu cuối cùng vì nhiều lý do, bao gồm độ an toàn vượt trội và khả năng tối ưu trọng lượng siêu nhẹ. Điều này đồng nghĩa với việc chúng có thể ứng dụng trong việc điện hóa các phương tiện vận tải hạng trung và hạng nặng, như tàu vũ trụ.
Giáo sư Greer nói rằng: “Tôi là một người ủng hộ pin thể rắn, và tôi tin rằng trong tương lai, sẽ chuyển dịch sang thế giới của công nghệ thể rắn. Điện cực cấu trúc 3D của nhóm nghiên cứu chính là một bước đệm quan trọng để hiện thực hóa kỷ nguyên pin thể rắn sau này.”
Để xem các tin bài khác về “Pin lithium-ion”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
