Pin thể rắn chống cháy tiến gần hơn đến thương mại hóa
Bởi Hội đồng Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quốc gia
Hình minh họa sơ đồ quy trình chế tạo chất điện phân rắn diện tích lớn, hiệu suất cao do KRISS phát triển. Nguồn: Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS)
Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS) đã phát triển một công nghệ vật liệu quan trọng giúp đẩy nhanh quá trình thương mại hóa pin thể rắn (ASSB) – loại pin thế hệ tiếp theo được thiết kế để loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Materials Today.
Nhóm Đo lường Vật liệu Mới nổi tại KRISS đã chứng minh màng chất điện phân rắn siêu dày đặc, diện tích lớn bằng cách áp dụng phương pháp phủ bột chất điện phân rắn bằng các hợp chất đa chức năng, giảm chi phí sản xuất xuống còn một phần mười so với mức thông thường.
Pin sạc lithium-ion, được sử dụng rộng rãi trong xe điện (EV) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), dựa trên chất điện phân lỏng dễ cháy, khiến chúng dễ bị cháy nổ. Một khi đã bốc cháy, những đám cháy như vậy đặc biệt khó dập tắt.
Trong những năm gần đây, một loạt sự cố—bao gồm vụ cháy tại trung tâm dữ liệu của chính phủ do Cơ quan Tài nguyên Thông tin Quốc gia (NIRS) vận hành và các vụ nổ liên quan đến pin xe điện—đã càng nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết về công nghệ pin lithium an toàn hơn.
Pin thể rắn cải thiện độ an toàn như thế nào?
Pin thể rắn (ASSB) thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn không cháy, về cơ bản cải thiện độ an toàn của pin. Trong số đó, pin thể rắn gốc oxit đã thu hút sự chú ý đáng kể như một giải pháp thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn do mật độ năng lượng cao và không có rủi ro liên quan đến việc giải phóng khí độc, có thể xảy ra trong các hệ thống gốc sunfua.
Kết quả đánh giá hiệu suất chính của chất điện phân rắn được áp dụng công nghệ xử lý do KRISS phát triển. Nguồn: Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS)
Pin thể rắn gốc oxit chủ yếu sử dụng chất điện phân rắn loại garnet làm vật liệu lõi. Chất điện phân rắn loại garnet thể hiện độ dẫn ion cao và độ ổn định hóa học tuyệt vời; Tuy nhiên, do đặc tính vật liệu vốn có, việc chế tạo màng điện phân hiệu suất cao đòi hỏi quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao, trong đó bột được nén ở nhiệt độ trên 1.000 °C.
Một thách thức lớn trong quá trình thiêu kết này là sự bay hơi của lithium, một thành phần quan trọng của màng điện phân rắn. Sự mất lithium làm ảnh hưởng đến độ ổn định cấu trúc của chất điện phân, gây khó khăn cho việc chế tạo trên diện tích lớn và dẫn đến sự suy giảm đáng kể chất lượng vật liệu, bao gồm giảm độ dẫn ion và tăng điện trở giao diện, do sự thay đổi thành phần hóa học.
Kỹ thuật chế tạo và kết quả tiên tiến
Để giảm thiểu sự bay hơi của lithium, các phương pháp truyền thống dựa vào việc phủ màng điện phân bằng một lượng lớn bột mẹ - vật liệu điện phân chứa lithium - trong quá trình thiêu kết. Tuy nhiên, phương pháp này dẫn đến lượng bột mẹ bị loại bỏ nhiều hơn mười lần so với lượng màng điện phân thực tế được sản xuất, làm tăng đáng kể chi phí sản xuất và là rào cản lớn đối với việc thương mại hóa.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết triệt để thách thức này bằng cách phát triển một kỹ thuật chế tạo phủ mỏng bột điện phân rắn bằng các hợp chất đa chức năng gốc Li–Al–O (lithium–nhôm–oxit).
Lớp phủ bề mặt thu được cung cấp lithium trong quá trình thiêu kết đồng thời ngăn ngừa sự bay hơi của lithium, và cùng lúc đó tăng cường liên kết giữa các hạt thông qua hiệu ứng giống như hàn, do đó tối đa hóa sự đặc chắc của màng điện phân.
Sử dụng phương pháp này, nhóm đã đạt được mật độ cao kỷ lục vượt quá 98,2% mà không cần sử dụng bất kỳ loại bột nền đắt tiền nào, tạo ra các màng điện phân rắn có độ bền cao, không có khuyết tật hóa học và cơ học, với độ dẫn ion được cải thiện hơn gấp đôi so với các vật liệu thông thường.
Ngoài ra, độ dẫn điện tử của màng điện phân rắn đã giảm hơn 20 lần, làm giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ dòng điện bên trong và do đó nâng cao cả hiệu quả và độ an toàn của pin thể rắn hoàn toàn.
Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công màng điện phân rắn diện tích lớn với diện tích 16 cm²—lớn hơn gấp mười lần so với các viên nén quy mô phòng thí nghiệm thông thường—đồng thời đạt được hiệu suất đặc biệt cao là 99,9%.
Tác động đến ngành công nghiệp và triển vọng tương lai
Tiến sĩ Baek Seung-Wook, nhà khoa học nghiên cứu chính của Nhóm Đo lường Vật liệu Mới nổi tại KRISS, cho biết: "Thành tựu này giải quyết triệt để những thách thức lâu dài về vật liệu và sản xuất vẫn chưa được giải quyết trong hơn hai thập kỷ qua đối với điện phân rắn kiểu garnet."
Nghiên cứu về chất điện phân. Bằng cách giảm đáng kể chi phí sản xuất, công nghệ của chúng tôi dự kiến sẽ đẩy nhanh đáng kể quá trình thương mại hóa pin thể rắn hoàn toàn dựa trên oxit và thúc đẩy đổi mới công nghệ trong thị trường hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và xe điện."
Tiến sĩ Kim Hwa-Jung, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Nhóm Đo lường Vật liệu Mới nổi tại KRISS, nhận xét: "Hiện tại, Hàn Quốc hoàn toàn phụ thuộc vào nhập khẩu các viên điện phân rắn loại garnet, có giá hơn 550 USD/viên cho đường kính chỉ 1 cm. Bước đột phá công nghệ này được kỳ vọng sẽ mở ra cánh cửa cho việc sản xuất trong nước các vật liệu pin thế hệ tiếp theo có giá trị cao."
Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của nhóm nghiên cứu của Giáo sư Park Hyeokjun từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Hàn Quốc.
Thông tin thêm: Hwa-Jung Kim và cộng sự, Tái sinh tính đa chức năng của hệ thống Li-Al-O cho phép thiêu kết chất điện phân rắn loại garnet không cần bột mẹ, Materials Today (2025). DOI: 10.1016/j.mattod.2025.11.033
Thông tin tạp chí: Materials Today
