Khi dòng điện chạy qua pin, vật liệu của nó sẽ bị xói mòn theo thời gian. Những ảnh hưởng cơ học như ứng suất và sức căng ảnh hưởng đến quỹ đạo này, mặc dù tác động của chúng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Hình ảnh khái niệm hóa quá trình xử lý, cấu trúc và hoạt động cơ học của chất dẫn ion thủy tinh cho pin lithium trạng thái rắn. Nhà cung cấp hình ảnh: Adam Malin/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Một nhóm do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng dẫn đầu đã phát triển một khuôn khổ để thiết kế pin thể rắn, hay SSB, có tính đến cơ học. Bài báo của họ, được xuất bản trên tạp chí Science , đã xem xét cách các yếu tố này thay đổi SSB trong quá trình đạp xe của chúng.
Sergiy Kalnaus, một nhà khoa học thuộc nhóm Dòng chảy và Mô hình Đa vật lý của ORNL cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là làm nổi bật tầm quan trọng của cơ học đối với hiệu suất của pin”. “Rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào các tính chất hóa học hoặc điện nhưng lại bỏ qua việc chỉ ra các cơ chế cơ bản.”
Nhóm nghiên cứu trải rộng trên một số lĩnh vực nghiên cứu ORNL bao gồm tính toán, hóa học và khoa học vật liệu. Cùng với nhau, đánh giá của họ đã vẽ ra một bức tranh gắn kết hơn về các điều kiện ảnh hưởng đến SSB bằng cách sử dụng các quan điểm từ nhiều phạm vi khoa học. Kalnaus nói: “Chúng tôi đang cố gắng thu hẹp khoảng cách giữa các ngành học”.
Trong pin, các hạt tích điện chảy qua các vật liệu gọi là chất điện phân. Hầu hết là chất lỏng, giống như pin lithium-ion trong ô tô điện nhưng chất điện phân rắn cũng đang được phát triển. Những dây dẫn này thường được làm từ thủy tinh hoặc gốm và có thể mang lại những ưu điểm như tăng cường độ an toàn và độ bền.
Kalnaus cho biết: “Pin thể rắn thực sự không chứa chất lỏng dễ cháy bên trong. “Điều này có nghĩa là chúng sẽ ít nguy hiểm hơn so với các loại pin thường được sử dụng ngày nay”.
Tuy nhiên, chất điện phân rắn vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu do những thách thức liên quan đến những vật liệu mới này. Các thành phần SSB phồng lên và co lại trong quá trình tích điện và vận chuyển khối lượng, làm thay đổi hệ thống.
Kalnaus cho biết: “Các điện cực liên tục biến dạng trong quá trình hoạt động của pin, tạo ra sự phân tách và khoảng trống ở các bề mặt tiếp xúc với chất điện phân rắn”. “Trong các hệ thống ngày nay, giải pháp tốt nhất là tạo ra một áp lực lớn để giữ mọi thứ lại với nhau.”
Những thay đổi về kích thước này làm hỏng chất điện phân rắn, được làm từ vật liệu giòn. Chúng thường bị gãy do căng thẳng và áp lực. Việc làm cho những vật liệu này trở nên dẻo hơn sẽ cho phép chúng chịu được áp lực bằng cách chảy thay vì nứt. Hành vi này có thể đạt được bằng một số kỹ thuật đưa các khuyết tật tinh thể nhỏ vào chất điện phân gốm.
Các electron rời khỏi hệ thống thông qua cực dương. Trong SSB, thành phần này có thể được chế tạo từ lithium nguyên chất, là kim loại đậm đặc năng lượng nhất. Mặc dù vật liệu này mang lại nhiều lợi ích về năng lượng cho pin nhưng nó cũng tạo ra áp suất có thể làm hỏng chất điện phân.
Erik Herbert, lãnh đạo nhóm Cơ học và Tính chất Cơ học của ORNL cho biết: “Trong quá trình sạc, lớp mạ không đồng nhất và việc không có cơ chế giảm ứng suất có thể tạo ra sự tập trung ứng suất. Chúng có thể hỗ trợ một lượng áp suất lớn, tạo điều kiện cho kim loại lithium chảy qua”.
"Để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của SSB, chúng tôi cần thiết kế thế hệ cực dương và chất điện phân rắn tiếp theo có thể duy trì các bề mặt ổn định về mặt cơ học mà không làm gãy bộ phân tách chất điện phân rắn."
Công việc của nhóm là một phần trong lịch sử lâu dài của ORNL trong việc nghiên cứu tài liệu cho SSB. Vào đầu những năm 1990, một chất điện phân thủy tinh được gọi là lithium photphorous oxynitride hay LiPON đã được phát triển tại phòng thí nghiệm. LiPON đã được sử dụng rộng rãi làm chất điện phân trong pin màng mỏng có cực dương lithium kim loại. Thành phần này có thể chịu được nhiều chu kỳ phóng điện mà không bị hỏng, phần lớn là do tính dẻo của LiPON. Khi gặp tác nhân cơ học, nó sẽ chảy thay vì nứt.
Nancy Dudney, nhà khoa học ORNL, người đứng đầu nhóm phát triển vật liệu, cho biết: “Trong những năm gần đây, chúng tôi đã biết rằng LiPON có các đặc tính cơ học mạnh mẽ để bổ sung cho độ bền hóa học và điện hóa của nó”.
Nỗ lực của nhóm nêu bật một khía cạnh chưa được nghiên cứu kỹ của SSB—hiểu được các yếu tố hình thành nên tuổi thọ và hiệu quả của chúng. Kalnaus nói: “Cộng đồng nghiên cứu cần một lộ trình”. “Trong bài báo của mình, chúng tôi đã phác thảo cơ chế cơ học của vật liệu cho chất điện phân thể rắn, khuyến khích các nhà khoa học xem xét những cơ chế này khi thiết kế pin mới”.
