Làm mịn các cạnh thô ráp trong pin: Khám phá có thể cải thiện độ bền của thiết bị
bởi Đại học Texas tại Austin
Kỹ sư Stephen Fuller của Texas đang nghiên cứu về pin. Tín dụng: Đại học Texas tại Austin
Các kỹ sư Texas đã phát hiện ra một hiện tượng mới trong pin hiện đại, hiện tượng này có thể được sử dụng để cải thiện vòng đời của pin.
Hiệu suất pin giảm theo thời gian, chẳng hạn như khi điện thoại cần được sạc thường xuyên hơn sau nhiều năm sử dụng. Một lớp màng mỏng hình thành trên cực dương kim loại khi pin đang sạc và xả đóng vai trò trong vấn đề đó. Lớp màng này có lợi ích, nhưng độ nhám của nó sẽ dần làm pin bị mòn.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một phiên bản tạm thời của lớp màng này xuất hiện ở tốc độ xả nhanh và hòa tan trở lại vào pin khi quá trình kết thúc. Lớp xen kẽ chất điện phân rắn tạm thời (T-SEI) này thúc đẩy bề mặt cực dương kim loại mịn hơn so với phiên bản vĩnh viễn, mang lại khả năng bảo vệ đồng thời tránh mài mòn có hại và các vấn đề lâu dài phát sinh.
Nghiên cứu này, được công bố trên Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ an toàn của các thiết bị hàng ngày, từ điện thoại thông minh đến ô tô điện, đồng thời tăng cường tiềm năng của pin như một lựa chọn khả thi để lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
"Bằng cách kiểm soát pha giao thoa tạm thời này, chúng tôi có thể thiết kế pin hoạt động tốt hơn trong điều kiện nhu cầu cao, bền hơn và ít bị hỏng hơn", Stephen T. Fuller, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học McKetta của Trường Kỹ thuật Cockrell, thành viên của Chương trình Sau đại học về Khoa học và Kỹ thuật Quốc phòng và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Phần lớn sự chú ý trong cộng đồng pin thường dành cho quá trình sạc lại, khi nguồn điện bên ngoài đẩy các electron từ cực âm sang cực dương để cung cấp năng lượng cho pin. Thông tin mới này đến từ việc nghiên cứu chặt chẽ quá trình xả, cho thấy lĩnh vực này có thể dẫn đến những đột phá hơn nữa giúp cải thiện hiệu suất pin.
"Trước khi gia nhập UT, tôi đã dành toàn bộ sự nghiệp của mình để nghiên cứu quá trình sạc lại trong pin, nhưng tôi muốn nghiên cứu mặt khác của phương trình", Kent Zheng, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học đến UT vào năm 2023 và gần đây được vinh danh trong danh sách 30 Under 30 Science của Forbes, cho biết. "Quá trình xả pin phần lớn bị bỏ qua trong cộng đồng của chúng tôi".
Đối với dự án này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng pin nước, có dung dịch điện phân chủ yếu là nước. Dung dịch này đưa các ion qua pin để tạo điều kiện sạc và xả.
Nguồn: Đại học Texas tại Austin
Pin RDE được sử dụng để trực quan hóa hoạt động. Nguồn: Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2425752122
Pin nước có tiềm năng to lớn để lưu trữ năng lượng lưới điện quy mô lớn, lưu trữ năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời cho đến khi cần triển khai. Chúng ít bắt lửa hơn và dựa vào các vật liệu có chi phí thấp hơn và bền vững hơn so với các loại pin khác. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn cần được cải tiến trước khi có thể được xác định ở quy mô lớn.
Các hệ thống phân tích điện hiện đại, bao gồm điện cực đĩa quay và hình ảnh hóa hoạt động, đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá sự hình thành và hành vi của T-SEI. Lớp màng hình thành từ quá bão hòa, dẫn đến lắng đọng muối trên điện cực.
Giao diện tạm thời tan hoàn toàn khi pin nghỉ, để lại bề mặt sạch và phẳng. Sự hình thành lớp T-SEI trong quá trình tuần hoàn đã làm giảm độ nhám bề mặt xuống 42%, cải thiện hiệu suất và độ bền của pin.
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch áp dụng khám phá này cho các loại pin khác để xem liệu T-SEI cũng xuất hiện trong các loại pin đó hay không. Việc khai thác hiện tượng này có thể giúp các nhà nghiên cứu giảm hoặc loại bỏ sự hình thành các nhánh cây, các cấu trúc không đều phát triển qua nhiều chu kỳ sạc-xả có thể làm ngắn mạch pin hoặc làm giảm hiệu suất theo thời gian.
