Pin mất dần dung lượng theo thời gian, đó là lý do tại sao điện thoại di động cũ hết pin nhanh hơn. Tuy nhiên, hiện tượng phổ biến này vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Michael Toney và nhóm đã thử nghiệm pin Li-ion dạng đồng xu để đánh giá khả năng mất dung lượng theo thời gian. Tín dụng: Jesse Peterson/CU Boulder
Hiện nay, một nhóm nghiên cứu quốc tế, do một kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder dẫn đầu, đã tiết lộ cơ chế cơ bản đằng sau sự xuống cấp của pin như vậy. Khám phá của họ có thể giúp các nhà khoa học phát triển pin tốt hơn, cho phép xe điện chạy xa hơn và bền hơn, đồng thời cũng thúc đẩy các công nghệ lưu trữ năng lượng giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.
Những phát hiện này được công bố ngày 12 tháng 9 trên tạp chí Science.
"Chúng tôi đang giúp phát triển pin lithium-ion bằng cách tìm ra các quá trình ở cấp độ phân tử liên quan đến sự phân hủy của chúng", Michael Toney, tác giả liên hệ của bài báo và là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học cho biết. "Việc có một loại pin tốt hơn rất quan trọng trong việc chuyển đổi cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta khỏi nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo hơn".
Các kỹ sư đã làm việc nhiều năm để thiết kế pin lithium-ion—loại pin sạc phổ biến nhất—mà không cần coban. Coban là một loại khoáng sản quý hiếm đắt tiền và quá trình khai thác của nó có liên quan đến những lo ngại nghiêm trọng về môi trường và nhân quyền. Tại Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi cung cấp hơn một nửa lượng coban của thế giới, nhiều thợ mỏ là trẻ em.
Cho đến nay, các nhà khoa học đã cố gắng sử dụng các nguyên tố khác như niken và magiê để thay thế coban trong pin lithium-ion. Nhưng những loại pin này thậm chí còn có tỷ lệ tự xả cao hơn, tức là khi các phản ứng hóa học bên trong pin làm giảm năng lượng được lưu trữ và làm giảm dung lượng theo thời gian. Do tự xả, hầu hết các loại pin EV có tuổi thọ từ bảy đến 10 năm trước khi cần thay thế.
Toney, cũng là thành viên của Viện Năng lượng tái tạo và bền vững, và nhóm của ông đã bắt đầu điều tra nguyên nhân tự xả. Trong một pin lithium-ion thông thường, các ion lithium, mang điện tích, di chuyển từ một bên của pin, được gọi là cực dương, sang bên kia, được gọi là cực âm, thông qua một môi trường gọi là chất điện phân.
Trong quá trình này, dòng ion tích điện này tạo thành dòng điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Sạc pin sẽ đảo ngược dòng ion tích điện và đưa chúng trở lại cực dương.
Trước đây, các nhà khoa học cho rằng pin tự xả là do không phải tất cả các ion lithium đều quay trở lại cực dương khi sạc, làm giảm số lượng ion tích điện có sẵn để tạo thành dòng điện và cung cấp năng lượng.
Sử dụng Advanced Photon Source, một máy X-quang mạnh mẽ, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở Illinois, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các phân tử hydro từ chất điện phân của pin sẽ di chuyển đến cực âm và chiếm các điểm mà các ion lithium thường liên kết. Kết quả là, các ion lithium có ít vị trí liên kết hơn trên cực âm, làm suy yếu dòng điện và làm giảm dung lượng của pin.
Giao thông vận tải là nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất tại Hoa Kỳ, chiếm 28% lượng khí thải của cả nước vào năm 2021. Trong nỗ lực giảm lượng khí thải, nhiều nhà sản xuất ô tô đã cam kết chuyển từ phát triển ô tô chạy xăng sang sản xuất nhiều xe điện hơn.
Nhưng các nhà sản xuất xe điện phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm phạm vi lái xe hạn chế, chi phí sản xuất cao hơn và tuổi thọ pin ngắn hơn so với xe thông thường. Tại thị trường Hoa Kỳ, một chiếc xe điện hoàn toàn thông thường có thể chạy khoảng 250 dặm chỉ với một lần sạc, khoảng 60% so với xe chạy bằng xăng. Nghiên cứu mới có khả năng giải quyết tất cả những vấn đề này, Toney cho biết.
"Tất cả người tiêu dùng đều muốn những chiếc xe có phạm vi lái xe lớn. Một số loại pin có hàm lượng coban thấp này có khả năng cung cấp phạm vi lái xe cao hơn, nhưng chúng ta cũng cần đảm bảo rằng chúng không bị hỏng trong thời gian ngắn", ông nói, lưu ý rằng việc giảm coban cũng có thể giảm chi phí và giải quyết các mối quan ngại về nhân quyền và công lý năng lượng.
Với sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế tự phóng điện, các kỹ sư có thể khám phá một số cách để ngăn chặn quá trình này, chẳng hạn như phủ cực âm bằng vật liệu đặc biệt để chặn các phân tử hydro hoặc sử dụng chất điện phân khác.
Toney cho biết: "Bây giờ chúng ta đã hiểu được nguyên nhân khiến pin bị suy giảm chất lượng, chúng ta có thể thông báo cho cộng đồng hóa học pin về những gì cần cải thiện khi thiết kế pin".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
