Trong pin lithium-ion ngày nay, chất điện phân lỏng vận chuyển các ion lithium qua lại giữa 2 điện cực khi pin tiến hành nạp và xả. Thay vào đó, nếu có thể được làm từ vật liệu rắn, chất điện phân có thể giúp pin an toàn hơn và cho phép mật độ năng lượng cao hơn nhiều. Các phiên bản thử nghiệm của những mẫu pin này đã được chứng minh là có khả năng lưu trữ năng lượng gấp đôi so với dung dịch lithium-ion hiện tại.

Rắc rối với kiểu thiết kế pin này là các cấu trúc giống như xúc tu nhỏ được gọi là sợi nhánh có xu hướng phát triển trên bề mặt của 1 trong 2 điện cực khi pin nạp và xả. Sau đó, những chiếc kim nhỏ này có thể khiến pin bị đoản mạch và hỏng hóc hoặc xấu hơn là nguy cơ cháy nổ. Vì vậy, việc tạo ra một thiết kế thể rắn để giải quyết vấn đề này sẽ là một bước đột phá lớn.

Các tác giả của nghiên cứu mới đến từ MIT, Đại học Texas A&M, Đại học Brown và Đại học Carnegie Mellon đã đề xuất một giải pháp đầy hứa hẹn. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một điện cực kim loại bán rắn làm bằng hợp kim natri-kali mà họ ví như vật liệu mà các nha sĩ sử dụng để trám lỗ sâu răng – rắn chắc nhưng có thể chảy và tạo hình được.

Vật liệu này có lượng hợp kim phù hợp để khi nó tiếp xúc với chất điện phân rắn, nó tránh được hình thành các vết nứt nhỏ thường xuất hiện trong các vật liệu điện cực hoàn toàn rắn nhưng giòn hơn, thường dẫn đến sự hình thành sợi nhánh.

“Động cơ ở đây là phát triển các điện cực dựa trên các hợp kim được lựa chọn cẩn thận để tạo ra một pha lỏng có thể đóng vai trò như một thành phần tự liền của điện cực kim loại”, đồng tác giả Park chia sẻ.

Khi pin thực hiện các chu kỳ nạp xả, nhiệt độ vận hành giữ cho vật liệu chỉ ở pha bán rắn phù hợp để chứa dòng điện cao, lớn hơn khoảng 20 lần so với sử dụng lithium rắn mà không hình thành sợi nhánh. Điều này giải quyết một hạn chế khác của pin thể rắn cho đến nay, không cho phép mức mật độ hiện tại có thể sạc lại ở tốc độ thực tế, ít nhất là không tạo ra sợi nhánh.

Trong một thiết kế khác, nhà nghiên cứu đã tích hợp một màng mỏng hợp kim natri-kali lỏng vào pin, kẹp nó giữa điện cực rắn và chất điện phân rắn. Điều này cũng ngăn cản sự hình thành của các sợi nhánh, mở ra một hướng đi thú vị khác để khám phá.

Phấn khích bởi những kết quả ban đầu đầy hứa hẹn này trong các thiết kế thử nghiệm, các nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu những cách công nghệ có thể được áp dụng cho các kiến ​​trúc pin thể rắn khác nhau và lạc quan về khả năng đạt được.

“Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi thực sự có thể áp dụng cách tiếp cận này cho bất kỳ  loại pin lithium-ion thể rắn nào. Chúng tôi nghĩ thiết kế có thể sử dụng ngay trong việc phát triển pin cho một loạt các ứng dụng, từ các thiết bị cầm tay cho xe điện đến hàng không điện”, đồng tác giả, Giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon Venkatasubramanian Viswanathan cho biết.