Chất điện phân rắn mở đường cho pin sạc gần như vĩnh cửu

Các kỹ sư của MIT và Samsung đã phát triển một phương pháp dùng chất điện phân rắn rất có thể cải thiện độ an toàn và tuổi thọ của pin, trong khi gia tăng đáng kể lượng điện năng được lưu trữ trong một không gian nhất định.

Minh họa cho thấy cấu trúc tinh thể của một dây dẫn siêu ion. Xương sống của vật liệu này là sự sắp xếp anion lưu huỳnh giống như khối cubic. Các nguyên tử lithium được mô tả màu xanh lá cây, các nguyên tử lưu huỳnh màu vàng, tứ diện PS4 trong màu tím, và GeS4 tứ diện màu xanh lam. Các nhà nghiên cứu đã tiết lộ mối quan hệ cơ bản giữa đóng gói anion và vận chuyển ion trong các vật liệu dẫn lithium nhanh.

Nếu bạn tò mò mở một trong các thiết bị công nghệ cao phổ biến hiện nay - điện thoại di động, máy tính xách tay, hay một chiếc xe điện - bạn sẽ thấy rằng pin chiếm phần lớn không gian bên trong. Thực tế, sự phát triển gần đây của pin đã làm cho nó có thể để gói một lượng điện lớn trong các không gian nhỏ.

Nhưng mọi người vẫn luôn muốn thiết bị của họ dùng được lâu hơn sau một lần sạc, vì vậy các nhà nghiên cứu làm việc ngày đêm để tăng lượng điện năng mà một pin kích thước nhất định có thể lưu giữ. Tuy hiếm nhưng các sự cố quá nóng hoặc cháy ở pin lithium-ion cũng đã nêu bật tầm quan trọng của an toàn trong công nghệ pin.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT và Samsung đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới đối với một trong ba thành phần cơ bản của pin, các chất điện phân. Những phát hiện mới này dựa trên ý tưởng rằng một chất điện phân rắn, chứ không phải là chất lỏng sử dụng trong pin sạc phổ biến nhất hiện nay, rất có thể cải thiện cả tuổi thọ và an toàn của thiết bị - trong khi tăng đáng kể lượng điện năng lưu trữ trong một không gian nhất định.

Trong bài báo công bố các kết quả trên tạp chí Nature Materials, TS Yan Wang cùng giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu Gerbrand Ceder và những người khác mô tả một phương pháp tiếp cận mới để phát triển chất điện phân trạng thái rắn có thể đồng thời giải quyết những thách thức lớn nhất gắn với việc cải thiện pin lithium-ion, công nghệ đang được sử dụng trong mọi thứ từ điện thoại di động cho xe ô tô điện.

Chất điện phân trong các pin này - thường là một dung môi hữu cơ dạng lỏng có chức năng vận chuyển các hạt tích điện từ một trong hai điện cực của pin đến điện cực kia trong quá trình nạp và xả - chịu trách nhiệm cho tình trạng quá nóng và cháy của pin, Ceder giải thích. Những nhà nghiên cứu khác cũng đã cố gắng tìm kiếm sự thay thế chất rắn cho các chất điện phân lỏng, nhưng đây là nhóm đầu tiên chứng minh rằng điều này có thể được thực hiện theo cách có thể đáp ứng đầy đủ các nhu cầu ứng dụng của pin.

Ceder nói rằng chất điện phân trạng thái rắn có thể tạo ra chiếc pin gần như hoàn hảo, giải quyết hầu hết các vấn đề tồn tại trong tuổi thọ, độ an toàn và chi phí sản xuất của pin. Chi phí đã sẵn sàng giảm nhiều. Còn vấn đề an toàn, như ta đã biết tất cả các vụ cháy pin lớn (như với máy bay Boeing…) đều là cháy chất điện phân. Bản thân lithium không thể cháy ở trạng thái trong các pin này. Với chất điện phân rắn, vấn đề an toàn sẽ được giải quyết - pin có thể chịu va đập, đóng đinh xuyên qua mà không phát cháy.

Chất điện phân rắn đề xuất còn có những ưu điểm khác, ông nói, pin sử dụng chất điện phân trạng thái rắn gần như không có phản ứng phân hủy, nghĩa là những pin này vẫn có thể hoạt động sau hàng trăm nghìn chu kỳ sạc/xả. Điều này có được là họ đã tìm được các vật liệu rắn có thể truyền dẫn ion đủ nhanh để trở nên hữu dụng trong pin.

Nhóm nghiên cứu đã có thể phân tích các yếu tố làm cho việc truyền dẫn ion hiệu quả trong các chất rắn, và đưa vào các hợp chất có những đặc điểm phù hợp. Những phát hiện ban đầu tập trung vào một loại vật liệu được gọi là vật liệu dẫn lithium-ion superionic, đó là những hợp chất lithium, germanium, phốt pho, lưu huỳnh, nhưng những nguyên tắc từ nghiên cứu này có thể dẫn đến những vật liệu hiệu quả hơn, nhóm nghiên cứu cho biết.

Chất điện phân rắn này có các lợi ích phụ không mong muốn khác: Trong khi pin lithium-ion thông thường không hoạt động tốt trong điều kiện cực lạnh, và cần phải được làm nóng trước ở nhiệt độ dưới khoảng âm 20 độ F, thì các phiên bản điện phân rắn vẫn có thể hoạt động ở những nhiệt độ băng giá, Ceder nói.

Chất điện phân rắn cũng cho phép tạo mật độ công suất lớn hơn - lượng điện năng có thể lưu trữ trong một không gian nhất định. Pin này cải thiện 20 đến 30% về mật độ năng lượng.

Công trình làm một phần của liên minh nghiên cứu giữa MIT và Viện Công nghệ Tiên tiến của Samsung tập trung vào phát triển các vật liệu cho năng lượng sạch.

Theo Vista.gov.vn