MỸ – Pin lithium-ion là một sản phẩm chủ lực trong sản xuất thiết bị nhiều năm, nhưng chất điện phân lỏng mà chúng dựa vào để hoạt động không ổn định, dẫn đến nguy cơ hỏa hoạn và các vấn đề về an toàn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State (Pennsylvania State University) đang theo đuổi một giải pháp lưu trữ năng lượng thay thế đáng tin cậy để sử dụng trong máy tính xách tay, điện thoại và xe điện: chất điện phân thể rắn (SSE – solid-state electrolytes).

Theo ông Hongtao Sun, Phó giáo sư kỹ thuật công nghiệp và sản xuất, pin thể rắn – sử dụng SSE thay vì chất điện phân lỏng – là giải pháp thay thế hàng đầu cho pin lithium-ion truyền thống. Ông giải thích rằng mặc dù có những khác biệt chính, nhưng về cơ bản, pin hoạt động tương tự nhau.

Phó giáo sư Hongtao đã nói rằng: “Pin sạc chứa hai điện cực bên trong: cực dương ở một bên và cực âm ở bên kia. Chất điện phân đóng vai trò là cầu nối giữa hai điện cực, cung cấp khả năng dẫn điện nhanh. Pin lithium-ion sử dụng chất điện phân dạng lỏng, trong khi pin thể rắn sử dụng SSE.”

Pin thể rắn cung cấp độ ổn định và an toàn hơn khi so sánh với pin lithium-ion truyền thống, nhưng phải đối mặt với một số vấn đề về sản xuất và độ dẫn điện. Ví dụ, nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo, đặc biệt là với SSE dựa trên gốm, có thể cản trở việc sản xuất và triển khai thực tế của chúng.

Quá trình thiêu kết lạnh bao gồm việc lấy một lượng nhỏ vật liệu dạng bột, nạp vào giữa hệ thống và sử dụng kết hợp nhiệt, áp suất và dung môi lỏng để tạo ra vật liệu dạng khối đặc để sử dụng trong SSE

Để vượt qua khó khăn này, Phó giáo sư Hongtao và nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là thiêu kết lạnh – một quy trình trong đó các vật liệu dạng bột được nung nóng, xử lý bằng dung môi lỏng và nén thành dạng đặc hơn – để kết hợp vật liệu composite gốm – polyme có độ dẫn điện cao SSE được gọi là LATP-PILG. Phương pháp này được gọi là ‘lạnh’ vì nó hoạt động ở nhiệt độ xử lý thấp hơn so với thiêu kết truyền thống, thay vào đó dựa vào áp suất được áp dụng và một lượng nhỏ dung môi lỏng để hoàn thành quy trình. Nhóm đã công bố phương pháp tiếp cận của họ trên tạp chí Materials Today Energy.

SSE truyền thống dựa trên gốm thường bao gồm các hạt đa tinh thể – vật liệu được tạo thành từ hàng trăm tinh thể nhỏ – được ngăn cách bởi ranh giới hạt (grain boundary) (1). Theo Phó giáo sư Hongtao, các ranh giới hạt này được coi là các khuyết tật cản trở sự vận chuyển các ion dẫn điện. Để giảm tổn thất dẫn điện trong SSE dựa trên gốm, nhóm của Phó giáo sư Hongtao đã kết hợp một loại gel lỏng đa ion (PILG – polyionic liquid gel) với gốm LATP để tạo thành SSE composite polyme trong gốm, một vật liệu lý tưởng để sử dụng do tính ổn định và độ dẫn điện cao.
(1) Ranh giới hạt: Trong khoa học vật liệu, ranh giới hạt là giao diện giữa hai hạt, hoặc tinh thể, trong vật liệu đa tinh thể. Ranh giới hạt là các khuyết tật hai chiều trong cấu trúc tinh thể và có xu hướng làm giảm tính dẫn điện và dẫn nhiệt của vật liệu.

Gel PILG hoạt động như một ranh giới hạt có độ dẫn điện cao trong SSE, tạo điều kiện cho việc vận chuyển ion qua các ranh giới được thiết kế thay vì qua các giao diện tự nhiên dễ bị lỗi. Phó giáo sư Hongtao cho biết nhóm nghiên cứu ban đầu đã cố gắng sử dụng phương pháp thiêu kết nhiệt độ cao truyền thống để phát triển SSE mới, nhưng họ đã gặp phải vấn đề ngay lập tức.

Phó giáo sư Hongtao đã nói rằng: “Một trong những thách thức trong chế tạo vật liệu composite SSE dựa trên gốm LATP là nhiệt độ thiêu kết đối với gốm rất cao, đến mức thiêu kết truyền thống thực sự sẽ đốt cháy bất kỳ chất phụ gia nào như hợp chất polyme trước khi gốm có thể được làm đặc đúng cách. Đây là lý do tại sao chúng tôi phải thực hiện thiêu kết lạnh để giữ nhiệt độ thấp hơn nhiều”.

Sinh viên sau đại học – ông Ta-Wei Wang là thành viên của nhóm nghiên cứu tại đại học Penn State đã công bố công trình nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật sản xuất tiên tiến trong việc chế tạo pin

Công nghệ thiêu kết lạnh ban đầu được phát triển vào năm 2016 thông qua một dự án nghiên cứu do ông Clive Randall, Giám đốc Viện nghiên cứu vật liệu của đại học Penn State và là Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu danh tiếng, dẫn đầu. Ứng dụng của nó vào việc phát triển pin thể rắn xuất hiện vào năm 2018, khi một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của ông Enrique Gomez, Giáo sư kỹ thuật hóa học và phó khoa tạm thời phụ trách công bằng và hòa nhập của Khoa Kỹ thuật, đã phát triển chất điện phân gốm composite thiêu kết lạnh.

Theo Phó giáo sư Hongtao, phương pháp thiêu kết truyền thống đòi hỏi nhiệt độ khoảng 80% điểm nóng chảy của vật liệu, trong khi đối với các hợp chất gốm như LATP có thể dễ dàng đạt tới 900 đến 1.000°C.

Phó giáo sư Hongtao nói tiếp: “Đối với ứng dụng này, chúng tôi có thể giữ nhiệt độ thiêu kết của mình ở mức rất thấp, khoảng 150°C. Điều này cho phép chúng tôi tích hợp các loại vật liệu khác nhau thành một dạng có mật độ cao bằng quy trình thiêu kết lạnh, bất kể nhiệt độ xử lý riêng biệt của chúng”.

Bằng cách thiêu kết gốm LATP với gel PILG, nhóm của Phó giáo sư Hongtao đã phát triển SSE tổng hợp có độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng, cùng nhiều ưu điểm khác.

Phó giáo sư Hongtao chia sẻ: “Ngoài khả năng dẫn điện được cải thiện, vật liệu composite polyme trong gốm SSE của chúng tôi còn có dung sai điện áp rất rộng, từ 0 đến 5,5 V, trong khi chất điện phân lỏng truyền thống có dung sai từ 0 đến 4 V. Dung sai điện áp lớn của SSE gốm của chúng tôi hỗ trợ việc sử dụng catốt điện áp cao, cho phép pin tạo ra nhiều năng lượng hơn”.

Đối với Phó giáo sư Hongtao, ứng dụng của công nghệ thiêu kết lạnh này một ngày nào đó có thể vượt xa việc cải thiện pin. Ông tin rằng thiêu kết lạnh có ý nghĩa to lớn đối với cách các công ty tiếp cận việc sử dụng vật liệu composite gốm trong sản xuất nói chung, cũng như trong các ngành cụ thể hơn như sản xuất chất bán dẫn.

Phó giáo sư Hongtao nói tiếp: “Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là phát triển một hệ thống sản xuất bền vững hỗ trợ sản xuất quy mô lớn và khả năng tái chế, vì đó sẽ là chìa khóa cho các ứng dụng công nghiệp cho công nghệ này. Đó là tầm nhìn lớn mà chúng tôi hy vọng sẽ hướng tới trong những năm tới”.

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

 

Nguồn: Electronics Online