NHẬT BẢN – Lithium kim loại từ lâu được xem là vật liệu lý tưởng cho các thế hệ pin sạc tiếp theo nhờ vào khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn so với điện cực âm bằng graphite trong các loại pin hiện nay. Tuy nhiên, pin lithium kim loại (lithium metal battery) (1) vẫn chưa thể ứng dụng rộng rãi do lithium có xu hướng hình thành các tinh thể dạng nhánh cây (dendrite) (2) trong quá trình sạc, làm giảm tuổi thọ của pin và gây ra các nguy cơ mất an toàn.
(1) Dendrite: là các cấu trúc kim loại lithium dạng sợi nhọn hoặc cành cây tích tụ và phát triển từ cực âm (anode) trong quá trình sạc.
(2) Lithium metal battery: là một loại pin sạc sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm cực âm, thay vì cực âm bằng than chì (graphite) như trong các loại pin lithium ion hiện nay. Nhờ khả năng lưu trữ lithium trực tiếp trong kim loại, công nghệ này có thể  đạt mật độ năng lượng cao hơn đáng kể, giúp tăng thời gian sử dụng và giảm khối lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng. 

Các nhà nghiên cứu từ đại học Tohoku (Tohoku university) đã xác định được yếu tố chính có thể giải quyết vấn đề của pin lithium kim loại: thay vì tăng thêm lượng muối lithium trong chất điện phân, họ phát hiện ra rằng tồn tại một nồng độ tối ưu giúp lithium lắng đọng đều hơn, đồng thời tạo ra một lớp bảo vệ vững chắc hơn trên bề mặt điện cực.

Kết quả nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí ACS Electrochemistry.

Chất điện phân đóng vai trò vận chuyển các ion lithium giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả. Trước đây, các nhà khoa học thường tập trung vào các chất điện phân nồng độ cao vì chúng có khả năng ngăn chặn sự hình thành dendrite; tuy nhiên, lý do vì sao một số chất điện phân lại hoạt động hiệu quả hơn những chất khác vẫn chưa rõ.

Để làm sáng tỏ điều này, nhóm nghiên cứu đã phân tích các chất điện phân chứa các nồng độ khác nhau của muối lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) (1) hòa tan trong hỗn hợp ethylene carbonate và propylene carbonate (2). Bằng cách kết hợp nhiều phương pháp phân tích, họ đã kết nối thành công cơ chế vận chuyển ion trong chất điện phân với các đặc tính cơ học của lớp liên pha điện phân rắn (SEI) (3) có tác dụng bảo vệ.
(1) LiTFSI: một loại muối lithium phổ biến trong chất điện phân, có độ ổn định nhiệt cao và khả năng dẫn ion tốt.
(2) Ethylene carbonate, propylene carbonate: các dung môi hữu cơ giúp hòa tan muối lithium để tạo thành dung dịch điện phân dạng lỏng.
(3) Solid electrolyte interphase (SEI): là lớp màng mỏng tự hình thành trên bề mặt cực âm trong vài lần sạc đầu tiên.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dung dịch điện phân chứa muối LiTFSI ở nồng độ 1-2 Molar (M) mang lại hiệu quả tốt nhất. Ở mức nồng độ này, các ion lithium và các ion TFSI mang điện tích âm dịch chuyển cùng nhau qua chất điện phân với tốc độ tương đương. Sự vận chuyển đồng bộ này tạo ra dòng ion đồng đều hướng về bề mặt điện cực, giúp lithium lắng đọng thành các lớp mịn, đặc thay vì các cấu trúc xốp dạng dendrite.

Sự vận chuyển ion cân bằng này cũng tạo ra lớp liên pha SEI cứng hơn và ổn định hơn về mặt cơ học. Để so sánh, các chất điện phân loãng tạo ra lớp bảo vệ yếu hơn khiến lithium lắng đọng dạng xốp, trong khi các chất điện phân nồng độ cao lại làm giảm khả năng di chuyển của ion và cản trở sự vận chuyển electron, cuối cùng dẫn đến việc lithium phát triển không đồng đều.

Ông Hong Li, trợ lý giáo sư tại đại học Tohoku, cho biết nghiên cứu chỉ ra rằng việc đạt được sự lắng đọng lithium kim loại ổn định không đơn thuần là tăng nồng độ muối. Ông Li chia sẻ: “Thay vào đó, chìa khóa nằm ở việc tạo ra sự cân bằng nơi các ion lithium và anion di chuyển đồng bộ, đồng thời duy trì một lớp liên pha bền vững về mặt cơ học. Điều này cung cấp một nguyên lý thiết kế mới để phát triển pin lithium ứng dụng trong thực tế”.

Phát hiện này mở ra một phương pháp thiết kế chất điện phân mới bằng cách tối ưu hóa cả quá trình vận chuyển ion và độ ổn định của bề mặt liên pha giữa chất điện phân và điện cực. Thay vì chỉ dựa vào chất điện phân nồng độ cao, các nhà nghiên cứu có thể hướng tới dải nồng độ trung gian này để cải thiện hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ của pin.

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

 

Nguồn: Electronics Online