MỸ – Các nhà khoa học từ viện công nghệ New Jersey (NJIT – New Jersey institute of technology) đã quan sát cách các “gai” kim loại siêu nhỏ, được gọi là nhánh tinh thể (dendrites) (*), hình thành bên trong pin lithium-ion, nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đoản mạch. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Science, đã làm sáng tỏ những đặc tính cơ học chưa từng biết đến của các nhánh tinh thể lithium trong quá trình chúng phát triển.
(*) Dendrite: là các cấu trúc kim loại dạng nhánh cây (tree-like structures) hình thành trong quá trình sạc xả. Khi các ion kim loại (thường là lithium) lắng đọng không đều trên bề mặt điện cực. Các nhánh này có thể phát triển xuyên qua lớp điện phân hoặc màng ngăn, dẫn đến suy giảm hiệu suất pin hoặc thậm chí là các nguy cơ mất an toàn.

Mặc dù các nhà khoa học đã nghiên cứu về nhánh tinh thể lithium từ lâu, nhưng họ vẫn chưa hiểu rõ hoàn toàn cách thức các cấu trúc này vận hành bên trong pin. Do hình thành ở kích thước nanomet, sự phát triển của chúng rất khó quan sát trong hệ thống khép kín của một viên pin đang hoạt động; tuy nhiên, chúng được xác định là có liên quan trực tiếp đến việc suy giảm hiệu suất và hỏng hóc pin.

Nghiên cứu mới này là một sự hợp tác quốc tế giữa các nhà nghiên cứu từ các trường đại học tại Mỹ và Singapore. Theo Giáo sư Xing Liu, đồng tác giả, hiện đang công tác tại khoa cơ khí và kỹ thuật công nghiệp thuộc viện NJIT, nhóm nghiên cứu đã kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng để có những hình dung đầu tiên về quá trình kết tinh của các nhánh cây lithium.

Giáo sư Liu chia sẻ: “Công trình này phản ánh sự hợp tác chặt chẽ giữa cơ học thực nghiệm và cơ học tính toán, góp phần quan trọng vào việc cải thiện độ an toàn của pin”.

Đồng tác giả Qing Ai, cựu nhà nghiên cứu tại đại học Rice (Rice university), nói rằng: “Bất chấp hàng thập kỷ nghiên cứu đến hiện tại, những đặc tính cơ học nano cơ bản của nhánh tinh thể lithium vẫn là một ẩn số.”

Các nền tảng tùy chỉnh
Với kích thước nhỏ hơn 100 lần so với sợi tóc con người, các nhánh tinh thể lithium (tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “giống như hình cây”) phát triển từ các cực dương, cực âm trong pin lithium-ion. Các nhánh của tinh thể này có thể đâm xuyên qua chất điện phân của tế bào pin lithium; nếu các nhánh lithium kéo dài từ cực dương tích điện âm sang cực âm tích điện dương, chúng có thể gây ra hiện tượng đoản mạch.

Giáo sư Liu nói tiếp: “Nhánh tinh thể lithium được công nhận rộng rãi là một trong những trở ngại lớn nhất đối với việc thương mại hóa pin lithium-kim loại. Trong quá trình vận hành pin, các nhánh cây này có thể hình thành, gãy vụn và bị cách điện khỏi cực dương của pin lithium – kim loại, tạo ra hiện tượng ‘dead lithium’. Quá trình này dẫn đến việc dung lượng pin bị suy giảm dần theo thời gian. Ngoài ra, các nhánh cây có thể đâm xuyên qua lớp màng ngăn và tạo ra hiện tượng đoản mạch nội bộ giữa cực dương và cực âm. Cả việc mất dung lượng và nguy cơ đoản mạch liên quan đến nhánh tinh thể đều thường xuyên được quan sát thấy trong các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.”

Hơn nữa, các nhánh tinh thể lithium gần như không thể loại bỏ khỏi pin một khi chúng đã hình thành.

Giáo sư Liu nói thêm: “Hiện tại, chưa có phương pháp thực tế nào để ‘xử lý’ các nhánh tinh thể ra khỏi một cell pin đang hoạt động”.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học tại đại học Rice cùng các cộng sự tại viện công nghệ Georgia (Georgia institute of technology), đại học Houston (university of Houston) và đại học công nghệ Nanyang (Nanyang technological university, Singapore) đã thu thập các nhánh tinh thể từ những viên pin đang hoạt động để kiểm tra độ bền cơ học của chúng.

Ông Boyu Zhang, đồng tác giả của nghiên cứu, chia sẻ: “Để có thể thực hiện nghiên cứu định lượng về các nhánh tinh thể lithium, nhóm nghiên cứu đã phát triển các nền tảng chuẩn bị mẫu và đặc tính hóa cơ học tùy chỉnh dành riêng cho những công việc tinh vi này”.

Đồng tác giả liên kết Jun Lou đã dẫn dắt một nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm vật liệu nano, cơ học nano và thiết bị nano (nanomaterials, nanomechanics and nanodevices lab) để trực tiếp thăm dò hành vi cơ học của các nhánh tinh thể khi chúng hình thành trong pin thực tế. Qing Ai và Boyu Zhang, đều là cựu thành viên tại phòng thí nghiệm của ông Lou, đã thực hiện các thí nghiệm phức tạp này với sự hỗ trợ từ đồng tác giả liên kết Hua Guo và đồng tác giả Wenhua Guo thuộc cơ quan quản lý thiết bị chung đại học Rice (Rice university shared equipment authority).

Để thực hiện các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã xây dựng các hệ thống kín khí phục vụ việc chuẩn bị và nghiên cứu mẫu vật, do lithium có hoạt tính cao, dễ bị biến đổi về mặt hóa học và cấu trúc ngay cả khi tiếp xúc với một lượng nhỏ không khí. Sau đó, kỹ thuật hiển vi điện tử độ phân giải cao đã hé lộ cách các nhánh tinh thể đơn lẻ biến dạng dưới tác động của các áp lực có kiểm soát.

Lithium ở dạng khối vốn có đặc tính mềm và dẻo; do đó, các nhánh tinh thể lithium cũng được kỳ vọng sẽ có độ mềm dẻo tương tự. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã cho thấy kết quả ngược lại. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy các nhánh lithium này bị gãy trong thời gian thực khi pin đang vận hành, cung cấp bằng chứng về độ giòn của chúng trong cả hệ thống điện phân lỏng và rắn.

Giáo sư Liu chia sẻ: “Từ lâu, các nhánh tinh thể lithium được giả định rằng: mềm và dễ uốn như đất nặn. Nhưng những quan sát của nhóm nghiên cứu cho thấy chúng thực tế có thể rất cứng và giòn, dễ gãy giống như những sợi mì Ý khô.”

Sau đó, các nhóm nghiên cứu tại viện NJIT và viện Georgia đã đóng góp phần mô phỏng và phân tích lý thuyết dựa trên các dữ liệu quan sát được.

Giáo sư Liu nói rằng: “Chúng tôi đã thực hiện các mô phỏng kết nối đa quy mô để giải thích lý do tại sao các nhánh tinh thể lithium lại có hành vi khác biệt so với những gì từng nghĩ trước đây”.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi các nhánh tinh thể hình thành trong tế bào pin, một lớp liên pha điện phân rắn mỏng (SEI – solid electrolyte interphase) sẽ bao bọc lấy chúng. Lớp phủ SEI này làm cho các nhánh lithium trở nên cứng và sắc nhọn như kim, có khả năng đâm xuyên qua màng ngăn và chất điện phân của pin; đồng thời chúng cũng dễ bị gãy dưới áp lực, tích tụ trong tế bào pin dưới dạng các mảnh vụn “lithium chết” và góp phần gây hỏng hóc pin.

Giáo sư Liu nói tiếp: “Việc hiểu rõ các nguyên lý vật lý cốt lõi sẽ mang lại những góc nhìn mới về cách giảm thiểu tình trạng giòn gãy của các nhánh tinh thể, ví dụ bằng cách sử dụng cực dương hợp kim lithium. Đối với các nhà nghiên cứu về cơ học tính toán, các cơ chế được quan sát trong nghiên cứu này, như cấu trúc biến dạng và những yếu tố khiến chúng bị vỡ vụn hay hỏng hóc có thể được xem như một yếu tố trong hành trình phát triển các vật liệu hiệu năng cao và hệ thống lưu trữ năng lượng lớn.

Giáo sư Liu nói rằng: “Cơ chế tăng độ bền mà nhóm nghiên cứu xác định được ở các nhánh tinh thể lithium, đã đóng góp thêm một phần cho quá trình phát triển này”.

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

 

Nguồn: Electronics Online