Pin xe điện (EV) được cải thiện đáng kể có thể tiến một bước gần hơn nhờ một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu của Đại học Oxford dẫn đầu, được công bố hôm nay trên tạp chí Nature . Sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ các cơ chế khiến pin thể rắn kim loại lithium (Li-SSB) bị hỏng. Nếu có thể khắc phục được những vấn đề này, pin thể rắn sử dụng cực dương kim loại lithium có thể mang lại bước cải tiến thay đổi về phạm vi, độ an toàn và hiệu suất của pin EV, đồng thời giúp thúc đẩy ngành hàng không chạy bằng điện.
Một trong những đồng tác giả chính của nghiên cứu là Dominic Melvin, tiến sĩ. sinh viên Khoa Vật liệu của Đại học Oxford, cho biết: "Việc phát triển pin thể rắn với cực dương kim loại lithium là một trong những thách thức quan trọng nhất đối với sự tiến bộ của công nghệ pin. Trong khi pin lithium -ion ngày nay sẽ tiếp tục được cải thiện, nghiên cứu về pin thể rắn có tiềm năng trở thành phần thưởng cao và là công nghệ thay đổi cuộc chơi."
Li-SSB khác với các loại pin khác vì chúng thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy trong pin thông thường bằng chất điện phân rắn và sử dụng kim loại lithium làm cực dương (điện cực âm). Việc sử dụng chất điện phân rắn giúp cải thiện độ an toàn và việc sử dụng kim loại lithium có nghĩa là có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Tuy nhiên, một thách thức quan trọng với Li-SSB là chúng dễ bị đoản mạch khi sạc do sự phát triển của 'đuôi gai': các sợi kim loại lithium nứt xuyên qua chất điện phân gốm. Là một phần của dự án SOLBAT của Viện Faraday, các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học Vật liệu, Hóa học và Kỹ thuật của Đại học Oxford, đã tiến hành một loạt các cuộc điều tra chuyên sâu để hiểu thêm về cách thức xảy ra hiện tượng đoản mạch này.
Trong nghiên cứu mới nhất này, nhóm đã sử dụng một kỹ thuật hình ảnh tiên tiến có tên là chụp cắt lớp vi tính tia X tại Nguồn ánh sáng kim cương để hình dung sự hỏng hóc của dendrite một cách chi tiết chưa từng thấy trong quá trình sạc. Nghiên cứu hình ảnh mới tiết lộ rằng sự bắt đầu và lan truyền của các vết nứt đuôi gai là các quá trình riêng biệt, được thúc đẩy bởi các cơ chế cơ bản riêng biệt.
Các vết nứt đuôi gai bắt đầu khi lithium tích tụ trong các lỗ dưới bề mặt. Khi các lỗ rỗng đầy, việc sạc pin tiếp tục làm tăng áp suất, dẫn đến nứt vỡ. Ngược lại, sự lan truyền xảy ra với lithium chỉ lấp đầy một phần vết nứt, thông qua cơ chế mở hình nêm đẩy vết nứt mở ra từ phía sau.
Sự hiểu biết mới này chỉ ra con đường phía trước để vượt qua những thách thức công nghệ của Li-SSB. Dominic Melvin cho biết: "Ví dụ, trong khi áp suất ở cực dương lithium có thể tốt để tránh các khoảng trống phát triển ở giao diện với chất điện phân rắn khi phóng điện, kết quả của chúng tôi chứng minh rằng quá nhiều áp suất có thể gây bất lợi, làm cho sự lan truyền dendrite và đoản mạch trên sạc nhiều khả năng hơn."
Ngài Peter Bruce, Chủ tịch Wolfson, Giáo sư Vật liệu tại Đại học Oxford, Nhà khoa học trưởng của Viện Faraday, đồng thời là tác giả tương ứng của nghiên cứu, cho biết: "Quá trình mà một kim loại mềm như lithium có thể xuyên qua một loại gốm cứng có mật độ cao chất điện phân đã tỏ ra khó hiểu với nhiều đóng góp quan trọng của các nhà khoa học xuất sắc trên khắp thế giới. Chúng tôi hy vọng những hiểu biết bổ sung mà chúng tôi có được sẽ giúp ích cho quá trình nghiên cứu pin thể rắn hướng tới một thiết bị thực tế."
Theo một báo cáo gần đây của Viện Faraday , SSBs có thể đáp ứng 50% nhu cầu toàn cầu về pin trong thiết bị điện tử tiêu dùng, 30% trong giao thông vận tải và hơn 10% trong máy bay vào năm 2040.
Giáo sư Pam Thomas, Giám đốc điều hành, Viện Faraday, cho biết: "Các nhà nghiên cứu của SOLBAT tiếp tục phát triển hiểu biết cơ học về sự cố của pin thể rắn—một rào cản cần phải vượt qua trước khi pin năng lượng cao với hiệu suất phù hợp về mặt thương mại có thể được thực hiện cho các ứng dụng ô tô. Dự án đang cung cấp thông tin về các chiến lược mà các nhà sản xuất tế bào có thể sử dụng để tránh lỗi tế bào đối với công nghệ này. Nghiên cứu lấy cảm hứng từ ứng dụng này là một ví dụ điển hình về loại tiến bộ khoa học mà Viện Faraday được thành lập để thúc đẩy."
