Trong thế giới hiện đại ngày nay, hệ thống pin lithium-ion đóng vai trò rất quan trọng cho nhiều thiết bị điện tử, máy móc và phương tiện giao thông, gồm điện thoại, máy ảnh, laptop, cho đến xe máy điện, ô tô điện và máy bay điện. Vì thế, những bước đột phá về công nghệ với mục đích cải thiện hiệu suất pin đều là những bước cực kỳ quan trọng và được đánh giá cao, nhằm tạo ra những thiết bị tối ưu hơn và cuối cùng vẫn là đáp ứng tốt hơn nhu cầu người sử dụng.
Những công nghệ pin mang tính sáng tạo và đột phá trong năm 2021 phải kể đến là việc tìm ra các vật liệu thay thế, còn một số ý tưởng khác chính là việc tái cấu trúc lại các thiết bị và xem cách chúng hoạt động từ đầu. Có thể nói, một loạt các khám phá xuất sắc về pin trong năm vừa qua là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học không ngừng thay đổi suy nghĩ, sáng tạo và cả trí tưởng tượng. Hãy cùng chúng tôi khám phá những công nghệ thú vị này.
1. Vật liệu pin và cấu trúc mới sạc cực nhanh
Các nhà khoa học đã sử dụng loại "cấu trúc xốp" cho cực dương của pin - một trong 2 điện cực quan trọng của pin như một cách rất hiệu quả để cải thiện tốc độ sạc của nó. Cấu trúc này sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với chất điện phân lỏng - là môi trường vận chuyển các ion lithium, đồng thời cho phép chúng khuếch tán dễ dàng hơn qua vật liệu, nhằm cải thiện khả năng và tốc độ sạc pin nhanh hơn rất nhiều.
Tháng 11 năm vừa rồi chúng ta đã chứng kiến một bước tiến mới đầy hứa hẹn của công nghệ này, đó là việc chế tạo một sản phẩm pin có cực dương được làm từ một vật liệu gọi là Niken Niobate của các nhà khoa học tại Đại học Twente. Điều đặc biệt, vật liệu này đặc trưng cho một cấu trúc tinh thể mở và đồng đều với các "kênh" lặp lại giống nhau, khiến nó trở thành môi trường lý tưởng cho việc vận chuyển ion.
Sau đó, các nhà sản xuất pin đã hiện thực hóa ý tưởng này bằng việc tạo ra tế bào pin hoàn thiện hơn, và các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng tốc độ sạc của loại pin này cực nhanh, hơn 10 lần so với pin lithium-ion ngày nay. Đây thực sự là một bước tiến lớn đối với lĩnh vực vật liệu chế tạo pin cho đến nay, bởi các vật liệu xốp chế tạo cực dương vốn có các "kênh" ngẫu nhiên và sắp xếp không đồng đều khiến các cấu trúc bị kẹt trong quá trình sạc và pin nhanh bị chai, bị hỏng hơn.
Niken Niobate vốn là chất tạo ngọt, đã được chứng minh là có mật độ thể tích cao hơn so với than chì được sử dụng cho cực dương của pin hiện đại ngày nay, chất liệu này sẽ giúp cho pin có kích thước và khối lượng nhỏ hơn.
2. Đưa hạt lithium "trở về từ cõi chết"
Khi pin đang hoạt động theo chu kỳ sạc và sạc lại của chúng, các ion lithium di chuyển qua lại giữa hai điện cực, tuy nhiên, không phải tất cả ion này đều hoàn thành đúng "tiến độ" của nó ở mọi thời điểm. Điều này sẽ dẫn đến tình trạng các "đảo lithium" không có hoạt động điện hóa giữa chúng và dẫn đến ngắt kết nối với các điện cực. Những khối đảo này dần dần gây ra sự suy giảm khả năng lưu trữ của thiết bị, nặng hơn là sẽ khiến thiết bị bốc cháy.
Trong một nghiên cứu mới vừa rồi, các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã tìm ra một phương pháp tạo ra hiệu quả kép: vừa vô hiệu hóa những khối lithium chết có hại, vừa giúp chúng hoạt động trở lại để tăng hiệu suất của pin. Bằng cách thêm một dòng điện áp cao trong quá trình sạc, nhóm nghiên cứu phát hiện ra là quá trình sạc đã thúc đẩy các "đảo lithium" hoạt động trở lại, khiến nó co lại và chui vào " như một con sâu" và kết nối lại với điện cực, tăng tuổi thọ của pin lên 30%.
Bước đột phá này sẽ tạo ra những cải tiến mới trong thiết kế các loại pin sạc nhanh hoặc tăng cả dung lượng và tuổi thọ cho pin. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng vấn đề hồi sinh các hạt lithium chết là một bước đột phá mang tính cách mạng đối với pin lithium-metal thế hệ tiếp theo, với gấp 10 lần năng lượng, tạo ra những giải pháp mới để khai phá nhiều hơn kiến trúc pin đầy hứa hẹn này.
3. Thiết kế pin giống bánh mì kẹp nhiều lớp
Lý do quan trọng cho thấy rất nhiều tiềm năng trong pin lithium-metal được nhà khoa học giải thích là vì kim loại lithium có công suất và mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với than chì và đồng vốn được sử dụng khá phổ biến trong việc chế tạo cực dương pin hiện nay. Hồi tháng 5 - 2021 nhà khoa học vật liệu Harvard Xin Li đã xem vật liệu này như một "chén thánh" khi giới thiệu một loại pin trông giống như bánh sandwich mới để khắc phục các vấn đề về độ ổn định đối với các thiết kế kim loại lithium.
Các vấn đề về độ ổn định này xuất phát từ phần nhô ra giống như kim được gọi là "dendrites" (phần đuôi nhánh) hình thành trên cực dương của pin lithium trong quá trình sạc. Chính những đặc điểm này khiến hiệu suất pin bị giảm, nhanh bị hỏng và thậm chí là dễ bắt lửa. Xin Li cùng các đồng nghiệp của ông đã tìm cách khắc phục hạn chế này bằng cách hoán đổi chất điện phân lỏng của pin cho một cặp chất rắn, chúng được xếp với nhau giống như một chiếc bánh mì sandwich kiểu BLT (Bacon, Lettuce, Tomato), điều này sẽ kiểm soát và chặn các "dendrites" một cách an toàn hơn khi chúng hình thành.
Mặt khác, pin kiểu bánh sandwich có thể lấp đầy những khoảng trống do các sợi nhánh dendrites tạo ra. Trong một thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã nhận thấy rằng nó vẫn giữ lại được 82% công suất sau 10.000 chu kỳ, một con số đáng ngạc nhiên. Và điều hứa hẹn nhất chính là đã chứng minh được loại mật độ dòng điện trong tương lai có thể cho phép xe chạy điện sạc nhanh chỉ trong 20 phút.
4. Vật liệu thiết kế pin từ thiên nhiên
Một nhóm các nhà khoa học đến từ Mỹ cũng đang hướng việc sản xuất pin về tự nhiên bằng các chất liệu thân thiện với môi trường, nhằm tìm ra giải pháp để cải thiện vấn đề ổn định liên quan đến pin lithium-metal. Đây thực sự là một bước đột phá nữa với việc sử dụng sợi nano xenlulo có nguồn gốc từ gỗ để tạo ra chất điện phân dạng rắn thay vì chất lỏng để dẫn điện.
Trong cấu trúc này, những ống polymer siêu nhỏ được kết hợp với chất liệu đồng để tạo thành một chất dẫn ion thể rắn, có lỗ nhỏ giữa các chuỗi polymer hoạt động như một "siêu xa lộ ion" để các ion lithium di chuyển với hiệu suất cực khủng. So với chất dẫn ion polymer khác, vật liệu này có khả năng dẫn điện cao hơn từ 10 đến 100 lần do vật liệu này mỏng như giấy và linh hoạt, chất dẫn điện phân sẽ chịu được áp lực tốt hơn của chu trình sạc pin, cũng như chịu được môi trường của kiến trúc kim loại lithium.
5. Thiết kế pin mới với dung lượng gấp 6 lần, sạc lại đến 200 lần
Một trong những loại pin nguyên mẫu ấn tượng được các nhà khoa học phát triển dựa trên clo nhưng được tăng lên cả về dung lượng lẫn khả năng sạc lại. Pin Alkali-Chlorine (Pin kim loại kiềm-clo) vốn đã xuất hiện những năm 1970, được biết đến với mật độ năng lượng cao, tuy nhiên hạn chế của chúng là chỉ tồn tại cho một lần sử dụng bởi clo phản ứng cao. Phương pháp của các nhà khoa học tại Đại học Stanford chính là ổn định lại các phản ứng này, cho phép sạc lại nhiều lần sau đó.
Loại pin "bình cũ rượu mới" này được tạo ra dựa trên một vật liệu điện cực mới làm bằng cacbon xốp giúp thay đổi các phân tử clo thất thường, sau đó chuyển đổi chúng trở lại thành natri clorua theo cách an toàn, đó chính là dạng ban đầu của chúng trước khi phóng điện. Trong một mẫu pin thử nghiệm, mật độ pin cao gấp 6 lần so với công nghệ lithium-ion ngày nay và chu kỳ sạc lại lên tới 200 lần.
6. Pin kim loại lithium mới với mật độ năng lượng kỷ lục
Các nhà khoa học Mỹ cũng đã phát triển một loại pin kim loại lithium mới có thể giữ nguyên chức năng của nó trong 600 chu kỳ sạc lại. Pin lithium-metal chính là trọng tâm thiết kế mới với những thử nghiệm đưa nó vào danh sách có phá kỷ lục hồi tháng 6 năm ngoái. Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào thành phần SEI (Solid Electrolyte Interphase) - một lớp màng mỏng phía trên cực dương nhưng có vai trò bảo vệ khá quan trọng nhờ chức năng kiểm soát những phân tử nào đi vào từ chất điện phân trong mỗi chu kỳ hoạt động của pin.
Ở các thiết kế hiện tại cho thấy, những phản ứng phức tạp xảy ra xung quanh cực dương và ảnh hưởng đến hiệu suất của SEI. Tuy nhiên các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (PNNL) đã tìm ra một giải pháp giải quyết vấn đề này trong thiết kế pin mới, đó là SEI sẽ được tạo thành bằng các dải Lithium rất mỏng, khoảng 20 micromet, so với sợi tóc người nó còn mỏng hơn rất nhiều. Đó chính là cơ sở cho cực dương của pin có SEI mỏng tương tác tốt hơn với chất điện phân, so với những dải SEI dày hơn ở các loại pin cũ làm cản trở các phản ứng điện hóa quan trọng.
Loại pin di động dạng túi nguyên mẫu của nhóm nghiên cứu tạo ra với cực dương mới này vẫn giữ lại 76% dung lượng của nó trong 600 chu kỳ sạc, đó là con số kỷ lục. Ấn tượng hơn, mật độ năng lượng đạt 350 Wh/kg, tuy nhiên loại pin lithium-ion tốt nhất đang được sử dụng hiện nay có mật độ từ 250 đến 300 Wh/kg.
7. Pin có điện cực được làm bằng vật liệu nha khoa, tốc độ nhanh hơn 20 lần so với pin thể rắn khác
Vào tháng 3 năm ngoài, một loại pin sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng đã được các nhà khoa học xem xét, họ tuyên bố thiết kế mới sẽ giải quyết được nhiều vấn đề còn tồn tại của loại pin hiện có. Pin mới có điện cực "bán rắn" được làm bằng hợp kim natri-kali, các nhà nghiên cứu đã so sánh nó với các vật liệu được các nha sĩ sử dụng để trám răng, lấp đầy các lỗ hổng trong răng vì kết cấu chắc chắn, nhưng vẫn có khả năng chảy và đúc.
Khi vật liệu này tiếp xúc với chất điện phân rắn, nó sẽ có thể ngăn chặn các loại vết nứt hình thành trên các vật liệu điện cực cứng và giòn hơn. Khả năng tự phục hồi ấn tượng này cũng hạn chế tối đa việc hình thành các dendrites (đuôi gai) khiến pin nhanh hỏng, với mật độ dòng điện cao hơn so với giới hạn cho phép của các loại pin thể rắn khác, theo ước tính là cao hơn khoảng 20 lần, hứa hẹn tốc độ sạc nhanh hơn nhiều.
