Nghiên cứu về loại pin thể rắn mới với tiềm năng năng lượng dồi dào

Công nghệ pin được mô tả trong số ra ngày 24 tháng 9 năm 2021 trên tạp chí Science. Các nhà nghiên cứu kỹ thuật nano của Đại học California San Diego, Hoa Kỳ đã thực hiện cuộc nghiên cứu, với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại LG Energy Solution.

Cực dương silicon nổi tiếng với mật độ năng lượng lớn hơn 10 lần so với cực dương graphit thường được sử dụng trong pin lithium ion thương mại hiện nay. Mặt khác, cực dương silicon được biết đến nhờ cách chúng giãn nở và co lại khi pin sạc và phóng điện, cũng như cách chúng phân hủy với chất điện phân lỏng. Những thách thức này đã khiến các cực dương hoàn toàn bằng silicon không được áp dụng trong pin lithium ion thương mại mặc dù mật độ năng lượng đáng kinh ngạc. Công trình mới được công bố trên tạp chí Science cung cấp một hướng đi đầy hứa hẹn cho các cực dương toàn silicon, nhờ vào chất điện phân phù hợp.

Darren H. S. Tan, tác giả chính của bài báo cho biết: “Với cấu hình pin này, chúng tôi đang mở ra một kỷ nguyên mới cho pin thể rắn sử dụng cực dương hợp kim như silicon. 

Thế hệ tiếp theo, pin thể rắn với mật độ năng lượng cao luôn dựa vào lithium kim loại làm cực dương. Nhưng điều đó đặt ra những hạn chế về tốc độ sạc pin và yêu cầu nhiệt độ tăng cao (thường là 60 độ C hoặc hơn) trong quá trình sạc. Cực dương silicon khắc phục được những hạn chế này, cho phép tốc độ sạc nhanh hơn nhiều ở nhiệt độ phòng đến nhiệt độ thấp, trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng cao.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh một tế bào đầy đủ quy mô phòng thí nghiệm cung cấp 500 chu kỳ sạc và xả với khả năng duy trì 80% dung lượng ở nhiệt độ phòng, điều này thể hiện sự tiến bộ cho cả cộng đồng pin cực dương silicon và pin trạng thái rắn.

Tất nhiên, cực dương silicon không phải là điều mới. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học và nhà sản xuất pin đã xem xét silicon như một vật liệu giàu năng lượng để trộn vào hoặc thay thế hoàn toàn các cực dương graphit thông thường trong pin lithium-ion. Về mặt lý thuyết, silicon cung cấp khả năng lưu trữ gấp khoảng 10 lần so với graphite. Tuy nhiên, trên thực tế, pin lithium-ion gắn thêm silicon vào cực dương để tăng mật độ năng lượng thường gặp phải các vấn đề về hiệu suất trong thế giới thực: cụ thể là số lần pin có thể được sạc và xả trong khi duy trì hiệu suất không đủ cao.

Phần lớn vấn đề là do sự tương tác giữa các cực dương silicon và chất điện phân lỏng mà chúng đã được ghép nối với nhau. Vấn đề trở nên phức tạp khi sự giãn nở thể tích lớn của các hạt silicon trong quá trình tích điện và phóng điện. Điều này dẫn đến tổn thất công suất nghiêm trọng theo thời gian.

"Là các nhà nghiên cứu về pin, điều quan trọng là phải giải quyết các vấn đề gốc rễ trong hệ thống. Đối với cực dương silicon, chúng tôi biết rằng một trong những vấn đề lớn là sự không ổn định của giao diện chất lỏng điện phân", giáo sư kỹ thuật nano Shirley Meng của Đại học UC San Diego, đồng tác giả nghiên cứu, đồng thời là giám đốc của Viện Thiết kế và Khám phá Vật liệu tại UC San Diego. Meng nói: “Chúng tôi cần một cách tiếp cận hoàn toàn khác.

Thật vậy, nhóm nghiên cứu của UC San Diego đã thực hiện một cách tiếp cận khác: họ loại bỏ carbon và các chất kết dính đi kèm với các cực dương hoàn toàn bằng silicon. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng silicon siêu nhỏ, ít xử lý hơn và ít tốn kém hơn silicon nano thường được sử dụng.

Ngoài việc loại bỏ tất cả carbon và chất kết dính khỏi cực dương, nhóm nghiên cứu cũng loại bỏ chất điện phân lỏng. Thay vào đó, họ sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua. Các thí nghiệm của họ cho thấy chất điện phân rắn này cực kỳ ổn định trong pin có cực dương hoàn toàn bằng silicon.