Phương pháp sản xuất 'lạnh' giải quyết thách thức chế tạo pin thể rắn
Tác giả: Ty Tkacik, Đại học Tiểu bang Pennsylvania
Các nhà nghiên cứu tại Penn State, bao gồm cả sinh viên tốt nghiệp Tai-Wei Wang, trong ảnh, gần đây đã công bố công trình nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sản xuất tiên tiến trong quá trình tạo pin. Nguồn: Hongtao Sun
Pin lithium-ion đã là mặt hàng chủ lực trong sản xuất thiết bị trong nhiều năm, nhưng chất điện phân lỏng mà chúng dựa vào để hoạt động khá không ổn định, dẫn đến nguy cơ hỏa hoạn và lo ngại về an toàn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Penn State đang theo đuổi một giải pháp lưu trữ năng lượng thay thế đáng tin cậy để sử dụng trong máy tính xách tay, điện thoại và xe điện: chất điện phân rắn (SSE).
Theo Hongtao Sun, phó giáo sư kỹ thuật công nghiệp và sản xuất, pin thể rắn - sử dụng SSE thay vì chất điện phân lỏng - là giải pháp thay thế hàng đầu cho pin lithium-ion truyền thống. Ông giải thích rằng mặc dù có những khác biệt chính, nhưng về cơ bản, pin hoạt động tương tự nhau.
"Pin sạc có hai điện cực bên trong: một cực dương ở một bên và một cực âm ở bên kia", Sun cho biết. "Chất điện phân đóng vai trò là cầu nối giữa hai điện cực này, cung cấp khả năng vận chuyển nhanh cho độ dẫn điện. Pin lithium-ion sử dụng chất điện phân dạng lỏng, trong khi pin thể rắn sử dụng SSE".
Pin thể rắn cung cấp độ ổn định và an toàn được cải thiện khi so sánh với pin lithium-ion truyền thống nhưng phải đối mặt với một số thách thức về sản xuất và độ dẫn điện, Sun giải thích. Ví dụ, nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo, đặc biệt là với SSE gốc gốm, có thể cản trở quá trình sản xuất và triển khai thực tế của chúng.
Để khắc phục thách thức này, Sun và nhóm của ông đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là thiêu kết lạnh - một quy trình trong đó các vật liệu dạng bột được nung nóng, xử lý bằng dung môi lỏng và nén thành dạng đặc hơn - để kết hợp một vật liệu composite gốm-polyme có độ dẫn điện cao được gọi là LATP-PILG. Phương pháp này được gọi là "lạnh" vì nó hoạt động ở nhiệt độ xử lý thấp hơn đáng kể so với thiêu kết truyền thống, thay vào đó dựa vào áp suất được áp dụng và một lượng nhỏ dung môi lỏng để hoàn thành quy trình.
Công trình này được công bố trên tạp chí Materials Today Energy.
Quy trình thiêu kết lạnh bao gồm việc lấy một lượng nhỏ vật liệu dạng bột, nạp vào giữa hệ thống và sử dụng kết hợp nhiệt, áp suất và dung môi lỏng để tạo ra vật liệu khối đặc để sử dụng trong SSE. Tín dụng: Hongtao Sun
Các SSE gốc gốm truyền thống thường bao gồm các hạt đa tinh thể—vật liệu được tạo thành từ hàng trăm tinh thể nhỏ—được ngăn cách bởi ranh giới hạt. Theo Sun, các ranh giới hạt này được coi là các khuyết tật cản trở quá trình vận chuyển các ion dẫn điện. Để giảm tổn thất dẫn điện trong các SSE gốc gốm, nhóm của Sun đã thiêu kết đồng thời một gel lỏng đa ion (PILG) với gốm LATP để tạo thành SSE composite polyme trong gốm, một vật liệu lý tưởng để sử dụng do tính ổn định và độ dẫn điện cao.
PILG hoạt động như một "ranh giới hạt" có độ dẫn điện cao trong SSE, tạo điều kiện cho quá trình vận chuyển ion qua các ranh giới kỹ thuật thay vì qua các giao diện tự nhiên dễ bị khuyết tật. Sun cho biết nhóm ban đầu đã thử sử dụng phương pháp thiêu kết nhiệt độ cao truyền thống để phát triển SSE mới của họ, nhưng họ đã gặp phải vấn đề ngay lập tức.
"Một trong những thách thức trong chế tạo SSE composite dựa trên LATP là nhiệt độ thiêu kết đối với gốm rất cao, đến mức thiêu kết truyền thống thực sự sẽ đốt cháy bất kỳ chất phụ gia nào như hợp chất polyme trước khi gốm có thể được làm đặc đúng cách", Sun cho biết. "Đây là lý do tại sao chúng tôi phải triển khai phương pháp thiêu kết lạnh để giữ nhiệt độ thấp hơn nhiều".
Công nghệ thiêu kết lạnh ban đầu được phát triển vào năm 2016 thông qua một dự án nghiên cứu do Clive Randall, giám đốc Viện nghiên cứu vật liệu của Penn State và là giáo sư danh dự về khoa học và kỹ thuật vật liệu dẫn đầu. Ứng dụng của nó để phát triển pin thể rắn xuất hiện vào năm 2018, khi một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Enrique Gomez, giáo sư kỹ thuật hóa học và phó khoa tạm quyền về công bằng và hòa nhập của Khoa Kỹ thuật, chất điện phân gốm composite thiêu kết lạnh.
Theo Sun, phương pháp thiêu kết truyền thống đòi hỏi nhiệt độ khoảng 80% điểm nóng chảy của vật liệu, đối với các hợp chất gốm như LATP có thể dễ dàng đạt tới 900 đến 1.000 độ C.
"Đối với ứng dụng này, chúng tôi có thể giữ nhiệt độ thiêu kết của mình ở mức rất thấp, khoảng 150 độ C", Sun cho biết. "Điều này cho phép chúng tôi tích hợp các loại vật liệu khác nhau thành dạng có mật độ cao bằng quy trình thiêu kết lạnh, bất kể nhiệt độ xử lý riêng biệt của chúng".
Bằng cách thiêu kết gốm LATP với gel PILG, nhóm của Sun đã phát triển SSE composite có độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng, cùng với các điểm mạnh khác.
"Ngoài khả năng dẫn điện được cải thiện, SSE composite polyme trong gốm của chúng tôi đã thể hiện một cửa sổ điện áp, từ 0 đến 5,5 vôn", Sun cho biết, giải thích rằng chất điện phân lỏng truyền thống có cửa sổ từ 0 đến 4 vôn. "Cửa sổ điện áp lớn của SSE gốm của chúng tôi hỗ trợ việc sử dụng catốt điện áp cao, cho phép pin tạo ra nhiều năng lượng hơn nói chung".
Đối với Sun, ứng dụng của công nghệ thiêu kết lạnh này một ngày nào đó có thể vượt ra ngoài việc cải thiện pin. Ông cho biết ông tin rằng thiêu kết lạnh có ý nghĩa to lớn đối với cách các công ty tiếp cận việc sử dụng vật liệu composite gốm trong sản xuất nói chung, cũng như trong các ngành cụ thể hơn như sản xuất chất bán dẫn.
"Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là phát triển một hệ thống sản xuất bền vững hỗ trợ sản xuất và tái chế quy mô lớn, vì đó sẽ là chìa khóa hướng tới các ứng dụng công nghiệp cho công nghệ này", Sun cho biết. "Đó là tầm nhìn lớn mà chúng tôi hy vọng sẽ hướng tới trong những năm tới".
Ngoài Sun, các đồng tác giả bao gồm Ta-Wei Wang, Seok Woo Lee và Juchen Zhang, sinh viên tiến sĩ ngành kỹ thuật công nghiệp và sản xuất của Penn State, và Bo Nie, cựu sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật công nghiệp và sản xuất của Penn State chương trình.
Thông tin thêm: Bo Nie et al, Khảo sát giao diện được điều chỉnh bằng thiêu kết lạnh và tích hợp chất điện phân trạng thái rắn polyme trong gốm, Materials Today Energy (2025). DOI: 10.1016/j.mtener.2025.101829
