ANH – Nhóm nghiên cứu do đại học Cambridge (university of Cambridge) dẫn đầu đã tìm hiểu về vai trò của áp lực vật lý đối với tuổi thọ của pin lithium-ion. Kết quả cho thấy việc duy trì một áp suất ổn định liên tục lên viên pin có thể giúp tăng gấp đôi tuổi thọ của chúng.

Những cải tiến như vậy là điều chưa từng có trong lĩnh vực phát triển công nghệ pin, trong khi các phương pháp điều chỉnh thành phần hóa học thường chỉ giúp tăng hiệu suất từ 5% đến 10%. Việc tăng tuổi thọ của pin xe điện (EV) không chỉ giúp giảm tỷ lệ pin bị thải bỏ hoặc tái chế, mà còn giảm áp lực môi trường từ việc khai thác các khoáng sản như niken hay coban.

Tuy nhiên, áp suất tác động lên pin cần đạt mức phù hợp, quá cao hay quá thấp đều sẽ khiến pin bị hỏng. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị chuyên dụng để duy trì áp suất lên pin luôn nằm trong vùng thích hợp (Goldilocks zone) mà không cần đến giải pháp hóa học khác. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Energy.

Về mặt cấu tạo cơ bản, pin lithium-ion gồm có một cực âm (anode), một cực dương (cathode) và chất điện phân. Khi pin trải qua mỗi chu kỳ sạc và xả, các ion lithium sẽ di chuyển qua lại giữa hai cực. Quá trình này khiến pin liên tục giãn nở và co lại về mặt vật lý, giống như cơ chế hô hấp.

Giáo sư Michael De Volder từ khoa kỹ thuật của đại học Cambridge, đồng trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ: “Pin thường không thích ứng với chu kỳ nén và nhả liên tục này. Phần lớn các công trình cải tiến pin lithium-ion hiện nay đều do các nhà hóa học và vật lý học thực hiện, nhưng nhóm muốn tìm hiểu sâu hơn về vai trò của các yếu tố cơ học”.

Để nghiên cứu hiện tượng này, Giáo sư De Volder và các đồng nghiệp đã chế tạo một thiết bị có khả năng ép một loại pin túi (pouch cell) (*) bằng các túi khí nén, những đệm khí nhỏ hoạt động như một hệ thống kẹp tự điều chỉnh. Hệ thống này duy trì áp suất liên tục, trong khi một cảm biến sẽ theo dõi những thay đổi nhỏ về thể tích khi pin sạc và xả.
(*) Pouch cell: là một kiểu thiết kế hình dáng của pin sạc (phổ biến nhất là pin lithium-ion hoặc lithium-polymer). Thay vì sử dụng lớp vỏ kim loại cứng hình trụ (như pin con thỏ, pin 18650) hoặc vỏ nhôm cứng hình hộp chữ nhật (prismatic cell), pouch cell sử dụng một loại vỏ bọc bằng màng nhựa bọc nhôm mềm và dẻo.

Giáo sư De Volder nói rằng: “Nhóm nghiên cứu chỉ mua các loại pin thương mại có sẵn trên thị trường và thử nghiệm tuổi thọ của chúng dưới các mức áp suất khác nhau. Nhóm hoàn toàn không thay đổi bất kỳ thành phần nào trong chất điện phân hay cấu trúc điện cực của chúng”.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng áp suất từ túi khí cần nằm trong vùng thích hợp: khoảng 12,5 bar, cao gần 4 lần so với mức tiêu chuẩn ở các loại pin đồng xu thông thường. Nằm ngoài vùng này, pin sẽ xuống cấp nhanh hơn. Nếu áp suất quá cao, nó có thể gây ra hiện tượng mạ lithium (lithium plating) (*) trên cực âm; ngược lại, nếu áp suất quá thấp, cực dương có thể bị nứt gãy.
(*) Lithium plating: là một hiện nguy hiểm, xảy ra khi các ion lithium (Li+) thay vì đi vào bên trong cấu trúc của cực âm (anode) để lưu trữ một cách an toàn, thì chúng lại bị “mắc kẹt” bên ngoài và tích tụ lại thành một lớp kim loại lithium nguyên chất bám trên bề mặt cực âm.

Giáo sư De Volder giải thích: “Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc duy trì áp suất ổn định trong suốt mỗi chu kỳ sạc và xả sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn cho tuổi thọ của pin. Nếu ép quá mạnh, cực âm sẽ bị tổn hại. Nếu ép không đủ, cực dương sẽ bị thoái hóa. Các thí nghiệm đã xác định được mức áp suất phù hợp với pin”.

Dù kết quả nghiên cứu mới ở giai đoạn đầu nhưng có thể mang lại những tác động quan trọng đối với thị trường xe điện đang tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt là phân khúc xe cũ. Giáo sư De Volder nhận định: “Sản phẩm càng bền thì số lần tái chế nguyên liệu càng ít đi. Trong khi đó, hiện tại năng lực tái chế pin trên thế giới vẫn còn hạn chế”.

Thêm vào đó, tuổi thọ pin xe điện dài hơn sẽ làm giảm khối lượng nguyên liệu thô cần khai thác. Giáo sư De Volder kết luận: “Những giải pháp mới giúp pin xe điện bền hơn, nhưng cũng cần đảm bảo rằng không vô tình tạo ra các ảnh hưởng sinh thái ở những nơi khác trên thế giới. Nếu có thể giảm bớt một phần áp lực cho hoạt động khai khoáng, đó sẽ là một lợi ích to lớn khác”.

Công nghệ này mới được thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và cần được mở rộng quy mô để áp dụng cho các dòng pin thương mại. Bằng sáng chế cho phát minh này đã được nộp bởi Cambridge Enterprise, cơ quan đổi mới sáng tạo trực thuộc đại học Cambridge.

Để xem các tin bài khác về “Pin xe điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online