Nghiên cứu 'nước trong muối' để hạn chế cháy nổ pin Li-Ion

Li-Ion là dạng pin khá phổ biến hiện nay, nhất là trên các thiết bị di động. Tuy nhiên, tình trạng cháy nổ trên loại pin này gây ra nhiều lo ngại cho người dùng. Do vậy, các nhà khoa học đang phát triển một công nghệ mới nhằm hạn chế tối đa rủi ro này.

Pin Lithium-Ion hay còn gọi là Li-Ion có khả năng sạc lại, lưu trữ nhiều năng lượng và mất rất ít điện năng khi không sử dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng loại pin này vẫn bị ràng buộc khá nhiều do những lo ngại về độ an toàn, chi phí cũng như tác động lên môi trường khi bị vứt đi.

Gần đây, một nhóm các nhà khoa học liên ngành cùng các kỹ sư đã nghiên cứu giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển một loại pin Lithium-Ion mới an toàn hơn.

Trước đây, người ta thường tập trung vào các chất điện phân khi nói đến độ an toàn của pin Li-Ion. Chất điện phân là chất phân giải thành các ion (di chuyển) tự do khi được hoà tan (hoặc nóng chảy), tạo ra môi trường dẫn diện. Bởi vì chúng thường ở dạng dung dịch, các chất điện phân được gọi là các dung dịch điện ly. Chất dẫn điện giúp điện tích di chuyển giữa các điện cực của pin.

Chất điện phân thường dễ cháy do phản ứng với các thành phần khác trong pin, ví dụ như điện cực. Đồng thời, những chất này thường có độc tính rất cao, đa phần là muối lithium có thể gây triệu chứng đau đầu, co cơ, lú lẫn, thậm chí dẫn tới hôn mê.

Theo Ars Technica, các giải pháp cho vấn đề pin Li-Ion trước đây có phần quá tốn kém. Do vậy nhà khoa học đã bắt tay nghiên cứu ra cách chế tạo pin Li-Ion mới.

Sự ổn định điện hóa 

Trong một nghiên cứu gần đây công bố trên tạp chí Science, các nhà khoa học đã trình diễn một loại điện cực lỏng mới có độ an toàn cao. Trước đây, việc sử dụng các điện cực lỏng thường bị hạn chế khá nhiều do chúng có độ ổn định điện hoá rất thấp - khoảng điện áp nằm giữa những vật liệu làm pin vừa không thể giữ được các electron (bị oxy hoá) lẫn tích luỹ thêm chúng. Kết quả là sự suy thoái các cấu trúc điện cực thường xảy ra cùng lúc với sự tạo thành hydrogen bên cực dương. 

Diễn biến quá trình sạc (bên trái) và xả (bên phải) của pin Li-Ion

Khi sử dụng hệ thống các điện cực khô, sự hình thành lớp điện phân rắn trên bề mặt của điện cực sẽ tạo nên một lớp phân cách cho phép các ion chuyển động qua nhưng ngăn chặn sự chuyển động của các electron. Lớp phân cách được hình thành khi một số điện cực phân huỷ trong quá trình sạc ban đầu.

Song lớp phân cách trên sẽ không hình thành trong các hệ thống bằng dung dịch bởi khi thủy phân, nước sẽ hoá thành H2, O2 hoặc OH- và chúng không bám trở lại trên bề mặt điện cực. Việc thiếu đi một lớp phân cách điện cực rắn làm hạn chế mức điện áp của pin Lithium-Ion dạng lỏng (< 1,5 V) cũng như làm giảm mật độ tích điện (70 Wh/kg).

Tuy nhiên, công trình nghiên cứu mới của các nhà khoa học đã mô tả cách tạo ra lớp phân cách rắn trong các điện cực bằng chất lỏng.

Hình thành lớp điện cực rắn

Để làm được điều này, các nhà khoa học cần phải tìm một loại muối lithium có độ hòa tan cao và ổn định về mặt hoá học khi ngâm trong nước. Đó là loại muối phải có khả năng nhận electron tại một mức điện thế cụ thể, tạo phản ứng sinh ra một chất rắn không hòa tan trong môi trường nước. Tuy vậy có rất ít loại muối lithium có thể đáp ứng được điều này. Nhưng ít không có nghĩa là không có, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một loại muối có tên lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (viết tắt là LiTFSI) có thể đáp ứng được yêu cầu này.

Sử dụng LiTFSI, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dung dịch có nồng độ đậm đặc (nồng độ mole chất tan > 20). Điều này có nghĩa rằng, các ion Li sẽ nhiều hơn các phân tử nước. Giải pháp có tên "nước trong muối" này khiến số lượng các ion tăng cao đáng kể và dẫn tới những hiện tượng khác lạ so với các dung dịch thông thường. Thực tế, sự tương tác giữa các ion Li lẫn nhau trở nên phổ biến hơn so với các tương tác giữa các phân tử nước và ion thường thấy trong các dung dịch muối.

Pin Li-Ion sử dụng một chất lỏng làm dung môi giữa 2 điện cực. Pin luôn được bọc trong vỏ kim loại cứng và trọng lượng nặng hơn kèm không kèm khả năng tùy biến hình dạng

Do tương tác giữa ion-ion, các ion Li có thể tạo nên một mặt phân cách dày đặc xung quanh cực dương. Bởi có mặt phân cách này, độ ổn định cửa sổ điện hoá có thể tăng lên tới 3 V.

Khi phân tích nhiệt độ của dung dịch có 20 - 21 mole phân tử trong điều kiện nhiệt độ phòng giảm tới -90 độ C, các nhà khoa học phát hiện rằng các dung dịch trên vẫn duy trì trạng thái "lỏng". Ở nhiệt độ thông thường, độ dẫn điện của dung dịch 21 mole phân tử có thể so sánh với các điện cực khô hiện đang được sử dụng trong pin Li-Ion thông dụng. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy, nồng độ LiTFSI tăng lên cùng nhiệt độ phòng, qua đó sự ổn định điện hoá cũng tăng cường lên theo.

Nhìn chung, nồng độ LiTFSI cao trong nước làm giảm hoạt động của các phân tử nước, điều biến điện thế oxy hóa khử và ngăn chặn sự thuỷ phân phân tử nước thông qua việc hình thành một mặt phân cách điện phân rắn.

Hiểu thế nào về mặt phân cách điện phân rắn?

Bằng việc sử dụng một loạt các kỹ thuật phân tích, nhóm nghiên cứu đã chứng minh sự tồn tại của một mặt phân pha trong các điện cực lỏng. Các phân tích này cũng cho phép nhóm nghiên cứu tìm hiểu được thêm về màng bọc ion Li .

Thông thường, trong các dung dịch loãng (< 5 mole phân tử), lượng nước nhiều sẽ tạo nên một vỏ bọc trên toàn bộ các ion Li và TFSL- được bao phủ bởi 4 phân tử nước. Nếu chúng ta tăng nồng độ muối lên (> 10 mole phân tử), dung dịch sẽ khó có đủ nước để tạo màng bọc cho các ion trên.

Trong khi đó đối với dung dịch 21 mole phân tử, các nhà khoa học đã đẩy nồng độ muối lên cao và dung dịch tồn tại trong một trạng thái chỉ có 2,6 phân tử nước mỗi ion Li . Trong trạng thái này, nước không thể trung hoà hiệu quả các trường tĩnh điện, vốn được tạo ra bởi các điện tích dương trên pin Lithium-Ion. Các điện tích dương dư thừa do thiếu nước sẽ hút các ion mang điện tích âm TFSL-. Những ion âm này xâm nhập qua màng bọc, dẫn đến quá trình tương tác giữa ion Li và TFSL-. Sự hình thành này xảy ra các cực dương, nơi mật độ TFSL- giảm mạnh dẫn tới giải phóng fluorine tạo thành muối LiF.

Rõ ràng, sự thiếu hụt các phân tử nước tự do đã giảm các hoạt động điện hoá, có lợi cho những giới hạn ổn định của cả hai điện cực.

Nhóm tác giả đã xây dựng một cell pin Li-Ion khá đầy đủ bao gồm điện cực LiMn2O4 (cực âm) và Mo6S8 (cực dương). Những cell pin này hiện vẫn đang đạt độ ổn định xuất sắc, duy trì công suất cao và gần như đem lại hiệu quả lực tĩnh điện đạt 100%.

Hy vọng rằng những nghiên cứu trên của các nhà khoa học sẽ sớm được ứng dụng thành công và công nghệ sản xuất pin Lithium-Ion trong tương lai gần. Nếu được áp dụng, độ an toàn của loại pin hiệu suất cao này sẽ gia tăng đáng kể, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho các thiết bị điện tử.

Theo Báo Diễn Đàn Đầu Tư