Xuất hiện phát kiến đột phá trong công nghệ sản xuất pin, giúp giải quyết vấn đề gây đau đầu các nhà khoa học suốt 40 năm qua

Bảo Nam , Theo Pháp luật & Bạn đọc

Và giải pháp này mang dáng dấp phong cách thiết kế của một cái bánh sandwich.

Các nhà nghiên cứu vừa chứng minh một giải pháp cho một vấn đề kéo dài 40 năm, liên quan đến việc tạo ra một loại pin có thể biến đổi hoàn toàn ngành công nghiệp ô tô điện.

Những bước đột phá này liên quan đến việc khai thác sức mạnh của pin lithium-kim loại, có khả năng giữ đáng kể năng lượng và có thể sạc chỉ trong một khoảng thời gian ngắn so với pin được sử dụng trong điện thoại thông minh và ô tô điện hiện nay.

Trong quá khứ, các nhà khoa học vẫn chưa thể tạo ra một loại pin lithium-kim loại đủ ổn định để sử dụng trong các ứng dụng thương mại. Nhưng nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng (SEAS) thuộc Đại học Harvard, cho phép loại pin thế hệ tiếp theo này có thể được sạc và phóng điện ít nhất 10.000 lần, cho phép làm tăng tuổi thọ của xe điện tương đương với xe chạy xăng, đồng thời tăng phạm vi hoạt động và giảm thời gian sạc của chúng.

Xuất hiện phát kiến đột phá trong công nghệ sản xuất pin, giúp giải quyết vấn đề gây đau đầu các nhà khoa học suốt 40 năm qua - Ảnh 1.

Loại pin mới được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu Harvard một ngày nào đó có thể cho phép xe điện sạc trong 10 phút.

"Pin lithium-kim loại được coi là 'chén thánh' trong lĩnh vực pin hóa học vì dung lượng và mật độ năng lượng cao của nó", Xin Li, phó giáo sư tại SEAS, cho biết. "Nhưng độ ổn định của những loại pin này luôn kém... Bằng cách nghiên cứu nhiệt động lực học cơ bản của chúng, chúng tôi có thể mở ra hiệu suất vượt trội và khai thác cơ hội dồi dào này."

Lý do đằng sau sự ổn định kém này là những phần nhô ra giống như kim nhỏ được gọi là đuôi gai (dendrite), hình thành trên bề mặt của cực dương kim loại lithium, thứ sẽ xâm nhập vào chất điện phân lỏng và làm xói mòn hiệu suất của pin, thường khiến pin bị đoản mạch hoặc bắt lửa. Nhưng sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng với dung môi dễ bay hơi là một trong những cách mà các nhà khoa học hy vọng sẽ tránh được vấn đề này.

Xuất hiện phát kiến đột phá trong công nghệ sản xuất pin, giúp giải quyết vấn đề gây đau đầu các nhà khoa học suốt 40 năm qua - Ảnh 2.

Các nhà nghiên cứu ví thiết kế pin của họ giống như một chiếc bánh sandwich.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature hôm qua 12/5, liên quan đến một cách tiếp cận đầy sáng tạo trong việc lắp ráp nhiều lớp pin, cho phép nó tự phục hồi và giải quyết vấn đề xuống cấp.

Họ đã tìm cách bảo vệ pin lithium-kim loại ở trạng thái rắn để tránh khỏi sự phá hủy do đuôi gai bằng cách cấu tạo nó từ các lớp khác nhau, và mỗi lớp có mức độ ổn định khác nhau. Chúng nằm ở giữa hai điện cực, hoạt động như bánh mì sandwich, bao gồm một lớp phủ than chì (rau diếp), một lớp điện phân thứ nhất (cà chua), một lớp điện phân thứ hai (thịt xông khói) và cuối cùng là một lớp điện phân thứ nhất (lại là cà chua).

Có một số khác biệt nhỏ về hóa học của hai chất điện phân, khiến chất đầu tiên dễ bị đuôi gai xâm nhập nhưng ổn định hơn với lithium, và chất thứ hai kém bền hơn với lithium nhưng miễn nhiễm với đuôi gai. Bằng cách này, pin không ngăn cản sự hình thành đuôi gai, nhưng có thể kiểm soát và chứa nó một cách an toàn, với các phần nhô ra bị chặn bởi lớp "thịt xông khói" của bánh sandwich.

Ngoài ra, pin có thể tự chữa lành bằng cách lấp đầy các khoảng trống do các đuôi gai tạo ra. Trong thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy pin vẫn giữ được 82% dung lượng sau 10.000 chu kỳ và chứng minh loại mật độ dòng điện mà một ngày nào đó có thể cho phép xe điện sạc đầy trong vòng 10 đến 20 phút.

Người ta hy vọng rằng thiết kế mới này có thể được phát triển thương mại để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp xe điện.

"Thiết kế mang tính thử nghiệm này cho thấy pin thể rắn lithium-kim loại có thể cạnh tranh với pin lithium-ion thương mại. Và sự linh hoạt của thiết kế nhiều lớp khiến nó có khả năng tương thích với các quy trình sản xuất hàng loạt trong ngành sản xuất pin", tiến sĩ Li cho biết.

"Việc mở rộng nó lên thành pin thương mại sẽ không dễ dàng và vẫn còn một số thách thức thực tế, nhưng chúng tôi tin rằng chúng sẽ vượt qua được", ông nói thêm.

Tham khảo NewAtlas