Cấu trúc nguyên tử độc đáo của chất điện phân rắn giúp pin thế hệ tiếp theo luôn mát
Đại học California - Riverside
Cấu trúc và độ dẫn nhiệt của tinh thể LLZTO. Nguồn: PRX Energy (2025). DOI: 10.1103/6wj2-kzhh
Một nhóm kỹ sư của Đại học California, Riverside đã khám phá ra lý do tại sao một vật liệu pin thể rắn quan trọng lại giữ được độ mát đáng kể trong quá trình hoạt động—một bước đột phá có thể giúp thế hệ pin lithium tiếp theo an toàn hơn và mạnh mẽ hơn.
Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí PRX Energy, tập trung vào một vật liệu gốm được gọi là LLZTO—viết tắt của lithium lanthanum zirconium tantalum oxide. Chất này là một chất điện phân rắn đầy hứa hẹn cho pin sạc thể rắn, có thể cung cấp mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion hiện nay, đồng thời giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt và cháy nổ.
Tiêu đề của nghiên cứu là "Nguồn gốc của độ dẫn nhiệt thấp nội tại trong chất điện phân rắn loại Garnet: Liên kết động lực học mạng tinh thể và ion với sự truyền nhiệt".
Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ lý do tại sao độ dẫn nhiệt của LLZTO - khả năng truyền nhiệt của nó - vẫn cực kỳ thấp.
"Đây là một vật liệu giữ được độ ổn định nhiệt, ngay cả khi các ion chạy qua nó", Xi Chen, tác giả liên hệ của nghiên cứu và là phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật Marlan và Rosemary Bourns của UCR, cho biết.
"Chúng tôi đã xem xét các đặc tính nhiệt của vật liệu này và giải thích lý do tại sao - ở cấp độ nguyên tử - độ dẫn nhiệt của nó lại thấp. Hiểu biết này có thể giúp chúng tôi dự đoán cấu hình nhiệt độ bên trong pin và cải thiện khả năng quản lý nhiệt, nghĩa là chúng tôi có thể thiết kế pin an toàn hơn với mật độ năng lượng cao hơn."
Khi pin sạc hoặc xả, nhiệt sẽ tích tụ. Nếu nhiệt lượng đó không được tản ra nhanh chóng, nó có thể làm giảm hiệu suất, rút ngắn tuổi thọ, hoặc trong trường hợp nghiêm trọng, gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt - một phản ứng dây chuyền nguy hiểm dẫn đến cháy nổ. Đó là lý do tại sao Cục An ninh Vận tải Liên bang kiểm soát các loại pin mà hành khách có thể mang lên máy bay thương mại.
Việc hiểu được cách LLZTO tự nhiên cản trở dòng nhiệt có thể rất quan trọng để hình dung sự phân bố nhiệt độ và ngăn ngừa các vấn đề an toàn, Chen nói.
"Đối với pin thể rắn, chất điện phân nằm giữa cực âm và cực dương. Việc biết cách nhiệt truyền qua lớp đó là điều cần thiết", ông nói.
"Chúng ta cần những loại pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn mà không bị nóng đến mức nguy hiểm. Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp thông tin chi tiết về cách thiết kế vật liệu giúp điều đó trở thành hiện thực."
Để hiểu được hành vi bất thường của LLZTO, nghiên cứu sinh sau đại học tại UCR, Yitian Wang - tác giả đầu tiên của bài báo - đã tạo ra các tinh thể đơn của vật liệu này bằng phương pháp vùng nổi. Không giống như các mẫu đa tinh thể, chứa nhiều hạt nhỏ phân tán nhiệt, các tinh thể đơn có cấu trúc nguyên sơ - bộc lộ các đặc tính nội tại của vật liệu.
Kết quả đã khiến nhóm nghiên cứu ngạc nhiên. Ngay cả khi không có khuyết tật, độ dẫn nhiệt của LLZTO chỉ ở mức 1,59 watt trên mét Kelvin, thấp hơn gần 250 lần so với đồng.
"Điều này cho thấy độ dẫn nhiệt thấp là do bản thân vật liệu," Chen nói.
Bằng cách kết hợp các thí nghiệm tán xạ neutron tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge với các mô phỏng tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nguyên nhân từ cách các nguyên tử dao động bên trong mạng tinh thể.
Trong các chất rắn như LLZTO, nhiệt được truyền bởi các phonon - các dao động lượng tử của các nguyên tử. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra hai yếu tố chính làm gián đoạn chuyển động của phonon và hạn chế sự truyền nhiệt.
Thứ nhất, LLZTO chứa nhiều chế độ phonon quang học - các dao động mà trong đó các nguyên tử chuyển động không đồng bộ với các nguyên tử lân cận. Những dao động quang học này tương tác với các phonon âm thanh mang nhiệt chính, làm chúng phân tán và cản trở dòng nhiệt.
"Khi các phonon phân tán nhiều hơn, chúng không dẫn nhiệt hiệu quả nữa," Wang nói. "Đó là lý do tại sao chúng ta thấy độ dẫn nhiệt thấp như vậy."
Thứ hai, LLZTO có độ bất điều hòa lớn, định lượng mức độ dao động lệch khỏi trường hợp lý tưởng. Tính chất này, liên quan đến chuyển động của các ion di động bên trong vật liệu, cho thấy các mô hình truyền nhiệt truyền thống có thể không hoàn toàn áp dụng được cho LLZTO.
"Cách độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ không phù hợp với mô hình phonon." Wang nói. "Các cơ chế mới có thể xuất hiện trong trường hợp này."
Khám phá này cung cấp cho các nhà nghiên cứu những công cụ mới để chế tạo vật liệu điều chỉnh nhiệt ở cấp độ nguyên tử, giúp ngăn ngừa hỏng hóc trong các loại pin nhỏ gọn, mạnh mẽ.
"Bằng cách liên kết dao động mạng tinh thể và chuyển động ion với hành vi nhiệt, chúng ta có thể thiết kế các vật liệu không chỉ dẫn ion hiệu quả mà còn quản lý nhiệt một cách an toàn," Chen nói. "Chúng tôi đang xem xét bức tranh toàn cảnh—cách động lực học ở quy mô nguyên tử ảnh hưởng đến hành vi vĩ mô trong các hệ thống năng lượng.
"Đó là tương lai của đổi mới pin."
Thông tin thêm: Yitian Wang và cộng sự, Nguồn gốc của độ dẫn nhiệt thấp nội tại trong chất điện phân rắn loại Garnet: Liên kết động lực học mạng tinh thể và ion với truyền nhiệt, PRX Energy (2025). DOI: 10.1103/6wj2-kzhh
Thông tin tạp chí: PRX Energy
