Chúng ta cùng xem xét khái niệm về Pin Lithium thể rắn và ứng dụng của chúng trong cuộc sống trước khi bắt đầu tìm hiểu về Pin Lithium-Silicon thể rắn.
Pin Lithium thể rắn là gì?
Pin Lithium thể rắn là một pin có hai thành phần “điện cực” và “chất điện phân” đều ở trạng thái rắn. Đây là công nghệ mới đang được nghiên cứu và phát triển bởi các quốc gia như Trung Quốc, Đài Loan và Nhật Bản. Công nghệ pin thể rắn được dự đoán sẽ có thể đánh bật pin lithium-ion từ vị trí thống trị như hiện tại và chiếm lĩnh ngôi vị đầu bảng.
Sự khác biệt giữa pin thường và pin thể rắn về "môi trường" điện li (Nguồn: autotimes.vn)
Đây là công nghệ pin hoàn toàn mới và dự kiến sẽ phát triển nhanh chóng trong tương lai. Nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm tàu thuyền, ô tô, xe máy, tàu thuyền, máy bay và thậm chí cả các phương tiện thuộc lĩnh vực quân sự, sử dụng pin thể rắn.
Pin thể rắn hiện có nhiều loại. Việc sử dụng các vật liệu như thế nào để tạo ra cực dương, cực âm và chất điện phân rắn, hữu cơ hay vô cơ,... Các chất như oxit, phốt phát, sulfur, polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane,... là những chất đang được nghiên cứu và lựa chọn để sử dụng trong tương lai.
Pin Lithium-Silicon thể rắn
Quay lại với pin Lithium-Silicon thể rắn. Từ lâu người ta đã biết rằng Silicon là vật liệu cực dương có mật độ năng lượng cao hơn 10 lần so với các cực dương bằng than chì được sử dụng trong ắc quy hiện nay.
Tuy nhiên, các cực dương silicon có xu hướng giãn nở và giảm hiệu suất nhanh chóng trong quá trình sạc và phóng điện, đặc biệt là với các chất điện phân lỏng hiện đang được sử dụng trong pin lithium-ion. Đây là rào cản thương mại đối với pin sử dụng cực dương silicon.
Trong khi các pin thể rắn (ắc quy khô) sử dụng chất rắn thay cho chất điện phân lỏng, thì cực dương lithium kim loại phải được giữ ở nhiệt độ cao (khoảng 60 độ C) trong quá trình sạc. Kết quả là nó phải được sưởi ấm trong thời tiết lạnh để hoạt động bình thường, dẫn đến tiêu tốn năng lượng cao.
Pin thể rắn cực dương silicon sẽ là giải pháp "một mũi tên trúng hai đích." Nhóm nghiên cứu kỹ thuật nano đến từ Đại học Tổng hợp California San Diego (UC San Diego) đã tiến hành thử nghiệm thành công mẫu pin mới này trong bài viết được đăng trong tháng 9/2021 trên tạp chí Science.
Quy trình 4 bước có thể được nhìn thấy như sau, như trong hình minh:
- 1. Tất cả pin ở trạng thái rắn được tạo thành từ một lớp hỗn hợp catốt, một lớp điện phân rắn sunfua và một cực dương vi silicon không chứa cacbon.
- 2. Các hạt Silicon vi mô rời rạc tạo nên cực dương dày đặc năng lượng trước khi sạc. Các ion lithium dương di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc pin và giao diện 2D ổn định được tạo ra.
- 3. Khi có nhiều ion Lithium di chuyển vào cực dương, nó sẽ phản ứng với vi Silicon để tạo thành các hạt hợp kim Lithium-Silicon (Li-Si) liên kết với nhau. Phản ứng tiếp tục lan truyền khắp điện cực.
- 4. Phản ứng dẫn đến sự giãn nở và đông đặc của các vi hạt Silicon, tạo ra điện cực hợp kim Li-Si dày đặc. Tính toàn vẹn và sự tiếp xúc dọc theo mặt phẳng giao diện 2D được duy trì bởi các đặc tính cơ học của hợp kim Li-Si và chất điện ly rắn.
Nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng những vòng thử nghiệm đầu tiên cho thấy pin mới an toàn, tuổi thọ cao và có mật độ năng lượng cao. Theo các nhà phát triển, điều này hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ lưu trữ điện lưới đến ô tô điện.
Nhóm nghiên cứu đã công bố một tế bào pin đầy đủ (quy mô phòng thí nghiệm) đã hoàn thành 500 chu kỳ sạc mà vẫn duy trì 80% dung lượng, đây được coi là thành công bước đầu rất đáng chú ý.
Nhóm nghiên cứu đã loại bỏ carbon và các chất kết dính đi kèm trong các cực dương được làm hoàn toàn bằng silicon để tạo ra kết quả đáng khích lệ này.
Nhóm nghiên cứu sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua làm chất điện điện phân. Các nhà nghiên cứu đã tránh được hiện tượng giảm dung lượng và một loạt các vấn đề liên quan nảy sinh khi cực dương bị ngâm trong chất điện phân lỏng bằng cách hoán đổi chất điện phân lỏng lấy chất điện điện phân rắn, đồng thời loại bỏ cacbon và chất kết dính khỏi cực dương silicon.
Trong các pin điển hình, phương pháp silicon ở trạng thái rắn có nhiều hạn chế. Nó mang đến những cơ hội thú vị để đáp ứng nhu cầu của thị trường về năng lượng thể tích cao hơn, giá thành thấp hơn và pin an toàn hơn, đặc biệt là để lưu trữ năng lượng lưới điện.
Công ty Giải pháp Năng lượng LG đã cung cấp hỗ trợ tài chính thông qua chương trình Cuộc thi Sáng tạo Pin (BIC) cho nghiên cứu này. Theo nhóm, công trình đang ở giai đoạn thử nghiệm và còn rất nhiều việc phải làm để có thể đưa sản phẩm tiên tiến này ra thị trường.
Theo Tạp chí Điện tử
Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống