MỸ – Đa số các dòng pin trải qua hơn 70% vòng đời ở trạng thái nghỉ. Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu xem xét sự lão hóa theo thời gian (calendar aging), tức là quá trình suy giảm hiệu suất của pin khi không được sạc hoặc sử dụng.

Hai dự án nghiên cứu đã được xuất bản trên hai tạp chí khoa học quốc tế Joule và Nature Communications, do các kỹ sư hóa học tại trường kỹ thuật Samueli thuộc đại học California, tại thành phố Los Angeles (UCLA Samueli school of engineering) dẫn đầu, đã chỉ ra rằng nhiều loại pin cực âm kim loại (metal-anode batteries) (*) thế hệ mới có thể mất đi lượng lớn dung lượng khi ở trạng thái nghỉ. Thông qua hai nghiên cứu, các nhà khoa học đã so sánh mức độ tổn hao ở nhiều kim loại khác nhau, đồng thời thiết kế các chiến lược nhằm giảm thiểu tình trạng này, mở ra phương hướng mới để tăng tuổi thọ pin.
(*) Metal-anode batteries: là loại pin thế hệ mới sử dụng kim loại nguyên chất (như lithium, natri, kẽm, hoặc kali) để làm cực âm, thay vì dùng các vật liệu lưu trữ trung gian như than chì (graphite) trong pin lithium-ion truyền thống.

Các kim loại như kẽm, natri và magie đang được nghiên cứu để thay thế pin lithium-ion nhờ khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn. Để đánh giá hiệu suất, phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào hiệu suất chu kỳ (cycling efficiency), tức khả năng khôi phục năng lượng sau nhiều lần sạc/ xả liên tục. Giới khoa học thường mặc định rằng nếu một viên pin vận hành chu kỳ tốt, nó cũng sẽ ổn định khi ở trạng thái nghỉ. Tuy nhiên, chỉ riêng hiệu suất chu kỳ là chưa đủ để phản ánh độ bền của pin trong điều kiện thực tế.

Giáo sư Yuzhang Li, phó Giáo sư ngành kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại trường UCLA Samueli, đồng thời là tác giả liên hệ của cả hai bài báo, chia sẻ: “Có rất ít thông tin về cơ chế thoái hóa của pin kim loại thế hệ mới trong thời gian nghỉ. Hai bài báo này giúp mở rộng hiểu biết và đề xuất các khái niệm mới nhằm cải thiện độ bền của pin khi không hoạt động.”

Bài viết nghiên cứu trên tạp chí Joule đi sâu vào cách các cực âm kim loại khác nhau lão hóa theo thời gian khi không sử dụng. Nhóm nghiên cứu đã phân tích các hệ pin dựa trên lithium, natri, nhôm và magie. Tất cả đều đạt hiệu suất chu kỳ cao. Dù vậy, sau hai tuần ở trạng thái nghỉ, các mẫu pin lithium, natri và nhôm đều mất từ 10% đến 20% dung lượng, mức tổn hao sẽ tích tụ rất nhanh trong suốt vòng đời của pin. Trái lại, pin magie chỉ mất chưa đến 0,5% dung lượng nhờ có lớp bảo vệ tự nhiên hình thành trên cực âm trong lúc nghỉ, giúp hạn chế tối đa sự ăn mòn. Lớp bảo vệ này sẽ tự tan ra khi pin bắt đầu sạc lại, tạo nên một bề mặt liên pha vừa ổn định vừa linh hoạt.

Trong khi đó, bài viết nghiên cứu trên tạp chí Nature Communications đề xuất giải pháp giảm ăn mòn cho pin cực âm kẽm bằng cách chế tạo lại chất điện phân, dung dịch dẫn truyền ion giữa cực âm và cực dương. Nhóm phát hiện ra rằng các phân tử nước bao quanh ion kẽm hòa tan có phản ứng mạnh hơn đáng kể so với các phân tử nước tự do trong dung dịch điện phân thô, trở thành nguyên nhân chính gây ăn mòn kẽm. Một chất điện phân kẽm thông thường có thể khiến pin mất hơn một phần ba dung lượng chỉ sau 24 giờ để nghỉ. Bằng cách tạo ra chất điện phân loãng và bổ sung các phụ gia đặc biệt, nhóm đã giảm mức tổn hao xuống dưới 1,5% sau 24 giờ, trong khi vẫn duy trì hiệu suất ổn định qua hàng nghìn chu kỳ sạc.

Dù nghiên cứu này tập trung vào kẽm, các nhà khoa học cho rằng nguyên lý này hoàn toàn có thể áp dụng rộng rãi cho các dòng pin cực âm kim loại khác.

Giáo sư Li nói rằng: “Tổng hợp lại, hai nghiên cứu cho thấy tình trạng lão hóa của pin khi nghỉ có thể điều chỉnh thông qua chất điện phân và cơ chế kích thích hình thành lớp bảo vệ trên điện cực. Hai phát hiện này đã chuyển hướng thiết kế pin: từ việc chỉ tập trung vào hiệu suất chu kỳ sạc/ xả sang nâng cao tuổi thọ pin trong điều kiện sử dụng thực tế.”

Hiện tại, nghiên cứu dừng ở giai đoạn chứng minh tính khả thi và cần thêm các đánh giá thực nghiệm trên các cell pin kích thước lớn hơn, dưới điều kiện vận hành thực tế và trong khoảng thời gian dài hơn. Về lâu dài, các kết quả này hứa hẹn sẽ mang lại các dòng pin thương mại có tuổi thọ cao hơn, tăng quãng đường di chuyển cho xe điện và tối ưu hóa hiệu quả lưu trữ cho các hệ thống lưới điện bền vững.

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

 

Nguồn: Electronics Online