Trong công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Stanford cho biết họ đã thực hiện được một bước tiến lớn hướng tới việc hoàn thành những gì mà các nhà thiết kế pin ắc quy đang cố gắng thực hiện hàng thập kỷ, đó là thiết kế điện cực anốt lithi tinh khiết.

Tất cả các loại pin ắc quy đều có ba thành phần cơ bản: chất điện phân để cung cấp điện tử, cực anốt giải phóng điện tử, và cực catôt nhận chúng. Hiện nay, mọi người đều cho rằng đã chế tạo được pin lithi, nhưng điều đó chỉ đúng một phần. Bởi theo các nhà nghiên cứu cho biết, những gì chúng ta có được hiện nay chỉ là pin ion lithi, nghĩa là lithi trong chất điện phân, chứ không phải là trong anốt. Việc chế tạo được điện cực anốt lithi tinh khiết sẽ là một thúc đẩy rất lớn đối với hiệu suất của các pin sạc.

Trong số các vật liệu có thể sử dụng trong anốt, lithi có tiềm năng lớn nhất. Yi Cui, giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và là nhà lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết, lithi rất nhẹ và có mật độ năng lượng cao nhất, vì thế có thể tích trữ được nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị thể tích và trọng lượng. Điều đó có nghĩa là có thể chế tạo các loại pin nhẹ hơn, nhỏ hơn với hiệu năng mạnh hơn.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, lithi có những thách thức lớn và điều đó làm cho việc sử dụng nó trong anốt rất khó khăn. Có không ít các nghiên cứu đã phải từ bỏ phương án này. Steven Chu, cựu Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ, đã từng đoạt giải Nobel, hiện đang là giáo sư tại Đại học Stanford cho biết: "Trên thực tế, việc tăng hiệu suất của pin lên cao hơn gấp bốn lần so với hiệu suất đạt được hiện nay, sẽ là điều cực kỳ lý thú. Bạn sẽ có được chiếc điện thoại di động với tuổi thọ của pin tăng gấp đôi hay gấp ba lần, hoặc một chiếc xe chạy điện có thể chạy một quãng đường dài đến 300 dặm với giá thành chỉ 25.000 USD, có thể cạnh tranh với loại xe động cơ đốt trong chạy với tốc độ 40 dặm/gallon".

Trong công trình nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã khắc phục được những thách thức liên quan đến việc sử dụng lithi trong điện cực anốt.

Hầu hết các pin iôn lithi được sử dụng trong điện thoại thông minh hoặc xe hybrid, đều làm việc tương tự nhau. Các thành phần chính gồm có anốt mang điện tích âm giải phóng ra các electron và catôt là nơi mà các điện tử quay trở lại pin sau khi đã đi qua mạch điện. Chất điện phân tách rời giữa hai điện cực, ở dạng thể rắn hay thể lỏng dẫn các ion lithi mang điện tích dương di chuyển giữa các cực anôt và catôt.

Trong khi sạc, các ion lithi mang điện tích dương trong chất điện phân bị hút về phía anôt mang điện tích âm và lithi tích tụ trên anôt. Hiện nay, cực anôt trong pin iôn lithi trên thực tế làm từ graphit hoặc silic. Cho đến nay, khó khăn trong việc sử dụng lithi cho anôt là do các ion lithi giãn nở khi chúng tích tụ trên anode trong quá trình sạc.

Tất cả các vật liệu anôt, bao gồm graphit và silic đều có nở ra phần nào trong khi sạc, nhưng không giống như lithi. Theo các nhà nghiên cứu cho biết sự giãn nở của lithi trong thời gian sạc là "gần như vô hạn" nếu so sánh với các vật liệu khác. Sự giãn nở của lithi cũng không đồng đều, dẫn đến hình thành các hố và vết nứt trên bề mặt ngoài, giống như lớp sơn bên ngoài một quả bóng đang được thổi phồng. Các vết nứt phát sinh trên bề mặt của anôt cho phép các ion lithi có thể thoát ra, tạo nên những hình thù giống như sợi tóc hay rêu, được gọi là dendrit. Các dendrit hình thành gây ngắn mạch và rút ngắn tuổi thọ của pin.

Ngăn ngừa sự tích tụ này là thách thức đầu tiên trong việc sử dụng lithi cho anôt của pin. Thách thức kỹ thuật thứ hai đó là anôt lithi phản ứng hóa học dễ dàng với chất điện phân, nó làm mất dần chất điện phân và làm giảm tuổi thọ của pin.

Một vấn đề nữa là anôt và chất điện phân sinh nhiệt khi tiếp xúc. Pin lithi, kể cả loại hiện đang được sử dụng, có thể bị nóng quá mức dẫn đến cháy hoặc thậm chí nổ, và vì thế làm nảy sinh một mối quan tâm về an toàn. Các vụ cháy pin gần đây trong xe Tesla và máy bay Dreamliner của hãng Boeing là những ví dụ nổi bật về những thách thức của pin ion lithi.

Chế tạo các quả cầu nano

Để giải quyết những vấn đề nêu trên các nhà nghiên cứu Stanford đã chế tạo một lớp bảo vệ vòm cacbon liên kết trên đỉnh anôt lithi. Lớp này được nhóm nghiên cứu gọi là các quả cầu nano.

Lớp cầu nano của nhóm nghiên cứu có hình dạng giống như cái tổ o­ng: nó tạo ra một lớp màng mềm dẻo, đồng nhất và không phản ứng để bảo vệ lithi không ổn định tránh được những hạn chế đã nêu. Bức tường bằng các quả cầu nano carbon này có độ dày 20 nanomet. Sẽ phải mất khoảng 5.000 lớp như vậy xếp chồng lên nhau để đạt được độ dày bằng sợi tóc người.

Lớp bảo vệ lý tưởng cho anôt kim loại lithi cần ổn định về mặt hóa học để bảo vệ chống lại các phản ứng hóa học xảy ra với các chất điện phân và cũng phải có độ bền cơ mạnh để chống chịu sự giãn nở của lithi trong thời gian sạc. Lớp cầu nano của nhóm nghiên cứu Stanford đã đạt được khả năng đó. Nó được chế tạo từ cacbon vô định hình, ổn định hóa học cao, bền và mềm dẻo để di chuyển tự do lên và xuống cùng với lithi khi nó giãn nở và co lại trong chu trình nạp-xả thông thường của pin.

Sản phẩm lý tưởng trong tầm tay

Về mặt kỹ thuật, lớp quả cầu nano giúp nâng cao hiệu suất culông của pin - tỷ số giữa khối lượng lithi có thể bị chiết tách từ anôt trong thời gian sử dụng pin so với lượng lithi được đưa vào trong quá trình sạc. Một vòng của quá trình cho-và-nhận này được gọi là một chu kỳ. Nói chung, để có khả năng thương mại, pin sạc phải có hiệu suất culông đạt 99,9% hoặc hơn, điều lý tưởng là thực hiện được càng nhiều chu kỳ càng tốt. Cực anôt trước đây được chế tạo từ kim loại lithi không có lớp bảo vệ đạt hiệu suất khoảng 96%, sau đó giảm xuống dưới 50% sau khi thực hiện được chỉ khoảng 100 chu kỳ - điều đó không đủ tốt. Anôt kim loại lithi mới của nhóm nghiên cứu Đại học Stanford đã đạt hiệu suất 99% ngay cả khi đã thực hiện được 150 chu kỳ.

Sự khác biệt giữa 99% và 96% về hiệu suất pin là rất lớn, theo các nhà nghiên cứu cho biết. Vì vậy, mặc dù chưa đạt tới ngưỡng 99,9%, nhưng hiệu suất 99% đã là một cải tiến đáng kể so với bất cứ thiết kế nào trước đó. Bằng các kỹ thuật bổ sung và với chất điện phân mới, các nhà nghiên cứu tin rằng họ có thể làm hiện thực hóa loại anôt chế tạo từ kim loại lithi ổn định và thực tế có thể cấp năng lượng cho thế hệ pin sạc tiếp theo.