Các nhà khoa học khám phá ra bản sửa lỗi đột phá có thể kéo dài tuổi thọ pin lên hơn 19 lần
Bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH)
Ngày 18 tháng 4 năm 2025
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế phân hủy chưa từng được biết đến trong pin lithium-ion, do "phản ứng chuyển đổi gần đúng" trong quá trình xả tạo thành oxit lithium và đẩy nhanh quá trình hao mòn pin, đặc biệt là ở cực âm có hàm lượng niken cao.
Các nhà nghiên cứu tại POSTECH đã xác định được một cơ chế phân hủy pin mới được kích hoạt bởi quá trình xả sâu. Việc tránh xả hoàn toàn giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin lithium-ion có hàm lượng niken cao.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jihyun Hong từ Khoa Kỹ thuật Pin tại POSTECH (Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang) đứng đầu, hợp tác với nhóm của Giáo sư Jongsoon Kim tại Đại học Sungkyunkwan, đã phát hiện ra một cơ chế phân hủy chưa từng được xác định trước đây trong pin lithium-ion. Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu Seungyun Jeon và Tiến sĩ Gukhyun Lim. Công trình đột phá của họ đã được giới thiệu là bài báo trang bìa trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Pin lithium-ion, được sử dụng rộng rãi trong xe điện, thường sử dụng catốt ba thành phần niken-mangan-coban (NMC). Để giảm chi phí sản xuất, ngành công nghiệp ngày càng chuyển sang sử dụng catốt có hàm lượng niken cao hơn trong khi giảm tỷ lệ coban đắt tiền. Tuy nhiên, cách tiếp cận này thường phải trả giá bằng tuổi thọ của pin, vì hàm lượng niken cao được biết là làm giảm tuổi thọ chu kỳ tổng thể.
Tập trung vào quy trình xả
Cho đến nay, sự suy giảm hiệu suất của pin chủ yếu là do sạc quá mức. Tuy nhiên, lời giải thích này không tính đến sự suy giảm xảy ra trong điều kiện điện áp có vẻ ổn định. Nhóm nghiên cứu tập trung vào quy trình xả—hoạt động thực tế của pin—để giải quyết bí ẩn này.
(a) Những thay đổi cấu trúc không thể đảo ngược đã được quan sát thấy trên bề mặt sau 150 chu kỳ sạc/xả trong phạm vi điện áp mà phản ứng chuyển đổi gần đúng xảy ra. (b) Cấu trúc phân lớp ban đầu vẫn được bảo toàn ngay cả sau 150 chu kỳ trong phạm vi điện áp ổn định hơn. (c) Khi các cell loại túi niken cao được tuần hoàn hơn 250 lần ở mức 1,9 V (nơi xảy ra phản ứng chuyển đổi gần đúng) và 3,15 V (nơi không xảy ra), khả năng duy trì dung lượng được cải thiện đáng kể chỉ bằng cách điều chỉnh điện áp cắt xả. (d) Tăng điện áp xả có hiệu quả ngăn chặn mất oxy và các phản ứng phụ tiếp theo ở bề mặt, dẫn đến giảm đáng kể sự thoát ra của các khí (CO, CO₂, CH₄ và C₂H₄). Nguồn: POSTECH
Họ phát hiện ra rằng khi pin được sử dụng trong thời gian dài mà không sạc lại, một hiện tượng được gọi là "phản ứng chuyển đổi gần đúng" xảy ra trên bề mặt cực âm. Trong phản ứng này, oxy thoát ra khỏi bề mặt và kết hợp với liti để tạo thành liti oxit (Li₂O) trong quá trình xả, đặc biệt là ở mức 3,0 V. Hợp chất này tiếp tục phản ứng với chất điện phân, tạo ra khí và đẩy nhanh quá trình phân hủy pin.
Phản ứng chuyển đổi gần đúng được phát hiện là nghiêm trọng hơn ở các cực âm niken cao. Nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng khi pin được sử dụng cho đến khi hầu hết dung lượng của chúng cạn kiệt, thì tác động của quá trình phân hủy bao gồm cả quá trình pin phồng lên sẽ ngày càng rõ rệt.
Một chiến lược đơn giản để kéo dài tuổi thọ pin
Điều quan trọng là nghiên cứu cũng tiết lộ một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả. Nhóm nghiên cứu đã kéo dài đáng kể tuổi thọ chu kỳ bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng pin và tránh xả hoàn toàn. Trong các thí nghiệm với pin có hàm lượng niken cao (chứa hơn 90% niken), những loại pin xả đủ sâu để kích hoạt phản ứng chuyển đổi gần đúng chỉ giữ lại 3,8% dung lượng sau 250 chu kỳ, trong khi pin được sử dụng có kiểm soát vẫn duy trì được 73,4% dung lượng ngay cả sau 300 chu kỳ.
Giáo sư Jihyun Hong, người đứng đầu nghiên cứu, tuyên bố rằng "Cho đến nay, tác động của quá trình xả - quá trình thực tế khi sử dụng pin - phần lớn đã bị bỏ qua" và nói thêm rằng "Nghiên cứu này đưa ra một hướng quan trọng để phát triển pin có tuổi thọ cao hơn".
Tài liệu tham khảo: “Reduction-Induced Oxygen Loss: the Hidden Surface Reconstruction Mechanism of Layered Oxide Cathodes in Lithium-Ion Batteries” của Seungyun Jeon, Gukhyun Lim, Hoseok Lee, Hyunyoung Park, Min Kyung Cho, Chan Kim, YeEun Lee, Jaehoon Kim, Minhyung Kwon, Jung-Keun Yoo, Hyangsoo Jeong, Jinwoo Kim, Seung-Ho Yu, Minah Lee, Jongsoon Kim và Jihyun Hong, ngày 16 tháng 1 năm 2025, Advanced Energy Materials.
DOI: 10.1002/aenm.202404193
Nghiên cứu này được Viện Phát triển Công nghệ Hàn Quốc (KIAT) hỗ trợ thông qua Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng (MOTIE) (Chương trình Phát triển nguồn nhân lực cho Đổi mới công nghiệp). Nghiên cứu này cũng được tài trợ bởi Viện Kế hoạch và Đánh giá Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KEIT).
