Tin tức

Trong một thỏi pin lithium thông thường, một chất điện phân lỏng đóng vai trò là môi trường mà các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương khi pin nạp và xả. Có một vấn đề là chất lỏng này rất dễ bay hơi và một lúc nào dó có thể khiến pin bắt lửa như pin của chiếc điện thoại Galaxy Note 7 của Samsung trước đây.

Thay thế chất điện phân lỏng này bằng một vật liệu rắn sẽ không chỉ làm cho pin an toàn và ít có nguy cơ cháy nổ hơn mà nó còn mở ra nhiều khả năng mới cho các thành phần quan trọng khác của pin. Cực dương của pin lithium ngày nay được làm từ hỗn hợp của đồng và than chì nhưng nếu được làm từ lithium tinh khiết thì nó có thể phá vỡ được nút thắt cổ chai mật độ năng lượng của hóa học Li-ion hiện tại.

Do đó, tiềm năng lớn lao của một cực dương lithium tinh khiết khiến nó trở thành một ưu tiên cao độ đối với các nhà nghiên cứu pin và một bước đệm quan trọng trong việc giới thiệu một chất điện phân rắn khả thi để giúp nó vận hành được. Nhưng cũng có những rào cản đáng kể với kết cấu đó. Khi pin được sạc lại, các nguyên tử tích tụ bên trong kim loại lithium khiến nó phồng to và giảm xuống trong quá trình sử dụng khiến kim loại teo lại. Điều này làm cho sự tiếp xúc liên tục giữa các vật liệu gần như là không thể và có thể dẫn tới nứt gãy chất điện phân.

Đây là vấn đề mà kiến trúc pin mới của MIT có thể xử lý. Nó liên quan đến sự kết hợp giữa các vật liệu rắn có tên chất dẫn ion-điện hỗn hợp (MIEC) và chất cách electron và Li-ion (ELI). Chúng được tích hợp sẵn vào một kiến trúc hình tổ ong 3 chiều với một hệ thống các ống kích thước nano được làm từ MIEC hình thành nên mảnh ghép tối quan trọng của bài toán.

Các ống này được pha với kim loại lithium rắn để hình thành nên cực dương của pin. Và vì có một khoảng không gian bổ sung bên trong mỗi ống nên kim loại lithium có khoảng trống để phồng to và thu nhỏ trong quá trình nạp và xả. Theo cách đó, vật liệu chuyển đổi nhẹ nhàng giữa một vật liệu lỏng và rắn, di chuyển giống như một chất lỏng nhưng vẫn duy trì cấu trúc tinh thể rắn trong suốt quá trình đó.

Tất cả những thứ này đều diễn ra bên trong một cực dương cấu trúc tổ ong với ELI phủ kín thành ống và đóng vai trò là một chất kết dính giữa chúng và chất điện phân rắn. Điều này có nghĩa rằng khi pin sạc, kích thước giao động của kim loại lithium hoàn toàn nằm trong cấu trúc này và kích thước bên ngoài của nó không đổi.

Kết quả là cực dương pin ổn định về mặt hóa học lẫn cơ học khi nó trải qua quá trình nạp và xả trong khi lithium vẫn không bị mất tiếp xúc điện với chất điện phân rắn. Nhóm nhận thấy đây là một tiến bộ đáng kể trong các loại pin thể rắn thử nghiệm khác thường dựa trên một dạng chất điện phân lỏng nào đó được phối trộn vào để giúp cơ cấu hoạt động được.

“Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, nó thực sự rắn hoàn toàn. Không có bất kỳ chất lỏng hay dạng gel nào bên trong nó”, Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại MIT Ju Li cho biết.

Nhóm đã tiến hành thử nghiệm kiến trúc pin thể rắn này và báo cáo rằng nó có thể duy trì được 100 chu kỳ nạp-xả mà không có dấu hiệu nứt vỡ. Trong tương lai xa hơn, công nghệ có thể tạo nên các cực dương cân nặng chỉ bằng 1/4 hiện tại nhưng có cùng dung lượng. Kết hợp với các thiết kế tân tiến khác cho cực âm, nhóm cho hay nó có thể dẫn tới các mẫu smartphone có cùng trọng lượng và kích thước nhưng chỉ cần cần xạc 3 ngày một lần.

Đột phá pin thể rắn của MIT có thể giúp điện thoại “sống” được nhiều ngày (21/02/2020)

TIN TỨC KHÁC