Các nhà nghiên cứu vượt qua những thách thức quan trọng trong việc phát triển pin kẽm nước không có nguy cơ cháy
của Hội đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ quốc gia
Điện cực được phát triển (a) cho thấy sự lắng đọng đồng đều hơn so với điện cực kẽm (b) và carbon (c). Nguồn: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (KIER)
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một công nghệ sản xuất điện cực quan trọng có thể kiểm soát sự hình thành dendrite trong pin kẽm nước. Nhóm nghiên cứu bao gồm Tiến sĩ Jung-Je Woo từ Trung tâm nghiên cứu năng lượng sạch Gwangju thuộc Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (KIER), cùng với nhóm nghiên cứu của Giáo sư Jaephil Cho từ Viện khoa học và công nghệ quốc gia Ulsan (UNIST).
Công nghệ do nhóm nghiên cứu phát triển đã được xuất bản dưới dạng bài báo trang bìa trên tạp chí Advanced Energy Materials số tháng 8 trong lĩnh vực năng lượng và vật liệu.
Pin kẽm nước là loại pin thứ cấp sử dụng nước làm chất điện phân, giúp chúng không có nguy cơ cháy nổ và thân thiện với môi trường hơn so với pin lithium-ion, loại pin sử dụng chất điện phân lỏng dễ bay hơi. Ngoài ra, vì pin kẽm nước sử dụng hai electron cho mỗi ion, về mặt lý thuyết, chúng có thể cung cấp dung lượng gấp đôi so với pin lithium-ion, loại pin chỉ sử dụng một electron cho mỗi ion.
Tuy nhiên, có một vấn đề với hiện tượng dendrite, trong đó kẽm được lắng đọng ở dạng kéo dài trên bề mặt cực dương trong quá trình sạc, dẫn đến tuổi thọ ngắn hơn. Các dendrite hình thành có thể xuyên thủng lớp ngăn cách giữa cực dương và cực âm, gây ra hiện tượng đoản mạch điện và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của pin. Đặc biệt, dendrite hình thành tích cực hơn trong pin kẽm nước so với pin lithium-ion, khiến đây trở thành trở ngại đáng kể đối với việc thương mại hóa công nghệ.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thành công oxit đồng để thúc đẩy quá trình lắng đọng kẽm đồng đều và kiểm soát quá trình hình thành dendrite. Khi các điện cực được chế tạo bằng phương pháp này được áp dụng cho pin, chúng đã chứng minh được tuổi thọ dài hơn mười lần so với pin thông thường.
Trước đây, phương pháp chính được sử dụng để ngăn chặn quá trình hình thành dendrite liên quan đến việc bổ sung các chất xúc tiến như đồng để đẩy nhanh quá trình phát triển ban đầu của kẽm và hướng dẫn quá trình lắng đọng đồng đều. Tuy nhiên, một vấn đề với cách tiếp cận này là sự hình thành dendrite sẽ tái diễn với các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại của pin.
Để ứng phó, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp để kiểm soát sự hình thành dendrite từng bước bằng cách sử dụng oxit đồng. Giống như đồng thông thường, oxit đồng thúc đẩy sự phát triển ban đầu của kẽm và hướng dẫn quá trình lắng đọng của nó. Ngoài ra, oxit đồng đã tối ưu hóa độ dẫn điện để lắng đọng kẽm theo phân bố đồng đều, cho phép lắng đọng hiệu quả hơn so với đồng thông thường.
Sau khi phân phối kẽm đồng đều, oxit đồng tự chuyển đổi thành một khung. Khung hoạt động giống như một hàng rào, ngăn chặn sự lắng đọng và phát triển kẽm không theo trật tự. Điều này cho phép ngăn ngừa liên tục sự hình thành dendrite, ngay cả với các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại.
Các loại pin sử dụng công nghệ của nhóm nghiên cứu đã chứng minh được tuổi thọ dài hơn mười lần so với pin kẽm nước thông thường, làm tăng tiềm năng thương mại hóa.
Bằng cách ngăn chặn sự hình thành dendrite, pin vẫn duy trì 80% dung lượng ngay cả sau 3.000 chu kỳ sạc-xả.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm soát thành công quá trình lắng đọng kẽm để đạt được dung lượng hàng đầu thế giới là 60 mAh/cm². Họ cũng đã chứng minh độ bền thông qua hơn 3.000 lần thử nghiệm hiệu suất pin và xác nhận rằng công nghệ này có thể được áp dụng cho các điện cực diện tích lớn 64 cm².
Tiến sĩ Jung-Je Woo, nhà nghiên cứu chính, tuyên bố, "Ý nghĩa của nghiên cứu này là nó cung cấp giải pháp cho thách thức hình thành dendrite trong pin kim loại như pin kẽm nước bằng các quy trình và vật liệu chi phí thấp như đồng oxit".
Ông nói thêm, "Chúng tôi đặt mục tiêu đóng góp vào quá trình thương mại hóa pin nước thông qua nghiên cứu tiếp theo để chuẩn hóa và hệ thống hóa các điện cực đã phát triển".
