Các nhà nghiên cứu đã tiến một bước gần hơn đến việc chế tạo pin thể rắn từ lithium và lưu huỳnh thành hiện thực. Một nhóm do các kỹ sư tại Đại học California San Diego dẫn đầu đã phát triển một loại vật liệu cực âm mới cho pin lithium-lưu huỳnh thể rắn có khả năng dẫn điện và có thể chữa lành về mặt cấu trúc—các tính năng khắc phục được những hạn chế của cực âm hiện tại của những loại pin này.
Vật liệu cực âm lành lại bằng cách tan chảy từ bột màu nâu thành chất lỏng màu đỏ tím đậm. Nhà cung cấp hình ảnh: David Baillot/Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs
Công trình được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 6 tháng 3.
Pin lithium-lưu huỳnh trạng thái rắn là một loại pin có thể sạc lại bao gồm chất điện phân rắn, cực dương làm bằng kim loại lithium và cực âm làm bằng lưu huỳnh. Những loại pin này hứa hẹn sẽ là giải pháp thay thế ưu việt cho pin lithium-ion hiện tại vì chúng mang lại mật độ năng lượng cao hơn và chi phí thấp hơn.
Chúng có khả năng lưu trữ năng lượng trên mỗi kg nhiều gấp đôi so với pin lithium-ion thông thường. Nói cách khác, chúng có thể tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của xe điện mà không làm tăng trọng lượng của bộ pin. Ngoài ra, việc sử dụng các nguyên liệu dồi dào, dễ tìm khiến chúng trở thành sự lựa chọn có hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường hơn.
Tuy nhiên, sự phát triển của pin thể rắn lithium-lưu huỳnh trong lịch sử đã gặp trở ngại bởi các đặc tính vốn có của cực âm lưu huỳnh.
Lưu huỳnh không chỉ là chất dẫn điện tử kém mà cực âm lưu huỳnh còn bị giãn nở và co lại đáng kể trong quá trình sạc và phóng điện, dẫn đến hư hỏng cấu trúc và giảm tiếp xúc với chất điện phân rắn. Những vấn đề này nói chung làm giảm khả năng truyền điện tích của cực âm, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể và tuổi thọ của pin thể rắn.
Để vượt qua những thách thức này, một nhóm do các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Năng lượng và Năng lượng Bền vững UC San Diego dẫn đầu đã phát triển một vật liệu cực âm mới: một tinh thể bao gồm lưu huỳnh và iốt. Bằng cách chèn các phân tử iốt vào cấu trúc lưu huỳnh tinh thể, các nhà nghiên cứu đã tăng đáng kể độ dẫn điện của vật liệu cực âm lên 11 bậc độ lớn, khiến nó dẫn điện gấp 100 tỷ lần so với các tinh thể chỉ làm từ lưu huỳnh.
Đồng tác giả nghiên cứu Ping Liu, giáo sư về kỹ thuật nano và giám đốc Trung tâm năng lượng và năng lượng bền vững tại UC San Diego cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng về việc phát hiện ra loại vật liệu mới này”. “Sự gia tăng mạnh mẽ độ dẫn điện của lưu huỳnh là một điều bất ngờ và rất thú vị về mặt khoa học”.
Hơn nữa, vật liệu pha lê mới có nhiệt độ nóng chảy thấp ở mức 65 độ C (149 độ F), thấp hơn nhiệt độ của một cốc cà phê nóng. Điều này có nghĩa là cực âm có thể dễ dàng tan chảy lại sau khi sạc pin để sửa chữa các giao diện bị hỏng do đạp xe. Đây là một tính năng quan trọng để giải quyết hư hỏng tích lũy xảy ra ở bề mặt phân cách rắn-rắn giữa cực âm và chất điện phân trong quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại.
Đồng tác giả nghiên cứu cấp cao Shyue Ping Ong, giáo sư về kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs, cho biết: “Cực âm lưu huỳnh-iodide này thể hiện một khái niệm độc đáo để quản lý một số trở ngại chính đối với việc thương mại hóa pin Li-S”.
"Iốt phá vỡ các liên kết liên phân tử giữ các phân tử lưu huỳnh với nhau với một lượng vừa phải để hạ điểm nóng chảy của nó xuống vùng Goldilocks — trên nhiệt độ phòng nhưng đủ thấp để cực âm được phục hồi định kỳ thông qua quá trình tan chảy."
Jianbin Zhou, đồng tác giả nghiên cứu, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ kỹ thuật nano thuộc nhóm nghiên cứu của Liu, cho biết: “Điểm nóng chảy thấp của vật liệu cực âm mới của chúng tôi giúp việc sửa chữa các bề mặt có thể thực hiện được, một giải pháp được tìm kiếm từ lâu cho các loại pin này”. "Vật liệu mới này là một giải pháp khả thi cho pin thể rắn mật độ năng lượng cao trong tương lai."
Để xác nhận tính hiệu quả của vật liệu cực âm mới, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một pin thử nghiệm và cho pin trải qua các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại. Pin vẫn ổn định trong hơn 400 chu kỳ trong khi vẫn giữ được 87% công suất.
Đồng tác giả nghiên cứu Christopher Brooks, nhà khoa học trưởng tại Viện nghiên cứu Honda Hoa Kỳ cho biết: “Phát hiện này có khả năng giải quyết một trong những thách thức lớn nhất đối với việc sử dụng pin lithium-lưu huỳnh thể rắn bằng cách tăng đáng kể tuổi thọ hữu ích của pin”. , Inc.
"Khả năng tự phục hồi của pin chỉ bằng cách tăng nhiệt độ có thể kéo dài đáng kể tổng vòng đời của pin, tạo ra một con đường tiềm năng hướng tới ứng dụng pin thể rắn trong thế giới thực."
Nhóm đang nỗ lực cải tiến hơn nữa công nghệ pin lithium-lưu huỳnh thể rắn bằng cách cải tiến thiết kế kỹ thuật tế bào và mở rộng quy mô định dạng tế bào.
Liu cho biết: “Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm để cung cấp pin thể rắn nhưng công việc của chúng tôi là một bước tiến quan trọng”. "Công việc này được thực hiện nhờ vào sự hợp tác tuyệt vời giữa các nhóm của chúng tôi tại UC San Diego và các đối tác nghiên cứu của chúng tôi tại các phòng thí nghiệm quốc gia, học viện và ngành công nghiệp."
