Từ máy tính xách tay đến xe điện, pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, khi nhu cầu về các thiết bị lâu dài hơn đe dọa vượt quá năng lượng mà lithium-ion cung cấp, các nhà nghiên cứu đang săn lùng những loại pin mạnh hơn.
Giáo sư Kelsey Hatzell và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Se Hwan Park đứng trong phòng thí nghiệm Hatzell. Tín dụng: Bumper DeJesus, Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger
Một nhóm do Kelsey Hatzell, phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ và Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger, đứng đầu đã khám phá ra những hiểu biết có thể giúp cung cấp năng lượng cho một loại pin mới, được gọi là pin thể rắn không có cực dương, vượt qua những hạn chế của pin lithium-ion.
Bằng cách hiểu cách các loại pin thể rắn tiên tiến này hoạt động và hỏng hóc trong các điều kiện khác nhau, nghiên cứu của Hatzell đang thúc đẩy các nỗ lực cải thiện hiệu suất và khả năng sản xuất của chúng, giúp chúng chuyển từ phòng thí nghiệm ra thế giới thực để hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng sạch.
"Nếu chúng ta có thể giới thiệu thành công những loại pin mới này, chúng ta có thể tiếp cận được mật độ năng lượng mà pin thông thường không thể có được", Hatzell cho biết. "Điều đó có nghĩa là máy tính xách tay và điện thoại của bạn sẽ sử dụng được lâu hơn khi sạc. Nó có thể cho phép xe điện chạy được hơn 500 dặm khi sạc. Nó thậm chí có thể đưa chúng ta đến với những kỳ tích dường như không thể thực hiện được ngày nay, như hàng không điện khí hóa".
Các bài báo bắt nguồn từ sự tham gia của Hatzell với tư cách là người dẫn đầu sản xuất cho Mechano-Chemical Understanding of Solid Ion Conductors (MUSIC), một Trung tâm nghiên cứu năng lượng tiên phong có các thành viên đang mở khóa những hiểu biết cơ bản để thúc đẩy các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa. MUSIC do Đại học Michigan tại Ann Arbor dẫn đầu và bao gồm 16 giảng viên từ chín tổ chức, bao gồm Đại học Princeton.
"Pin thể rắn có thể cách mạng hóa công nghệ lưu trữ năng lượng, nhưng một thách thức đáng kể là phát triển một quy trình sản xuất chúng ở quy mô lớn", chuyên gia lưu trữ năng lượng Jeff Sakamoto, giám đốc MUSIC và là giáo sư vật liệu và kỹ thuật cơ khí tại Đại học California-Santa Barbara cho biết. "Công trình của Hatzell đang đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện quy trình sản xuất thể rắn, và công trình của bà với MUSIC là một ví dụ về cách tiếp cận nghiên cứu tích hợp có thể giúp vượt qua những thách thức phức tạp, đa ngành".
Pin: Nhìn dưới mui xe
Theo thông lệ, pin có hai điện cực—một cực dương (thường gọi là cực âm) và một cực âm (cực dương). Mỗi điện cực được ghép với một lá kim loại mỏng gọi là bộ thu dòng điện kết nối pin với mạch ngoài và hai điện cực được ngăn cách với nhau bằng chất điện phân.
Sự chuyển động của các ion giữa hai điện cực cung cấp năng lượng cho pin. Khi pin sạc, các ion chảy từ điện cực dương, qua chất điện phân và đến điện cực âm. Khi pin xả, dòng ion đảo ngược hướng.
So với loại pin lithium-ion quen thuộc, loại pin mà Hatzell và nhóm của bà nghiên cứu khác biệt ở hai cấp độ cơ bản.
Đầu tiên, trong khi chất điện phân trong pin lithium-ion là chất lỏng, chất điện phân trong pin thể rắn lại là chất rắn, đúng như tên gọi của nó.
Sự khác biệt là đáng kể. Pin thể rắn có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn so với pin lithium-ion, mở ra cánh cửa cho phạm vi lái xe dài hơn cho xe điện. Chúng cũng có thể hoạt động với hiệu suất cao ở phạm vi nhiệt độ rộng hơn và hứa hẹn độ bền cao hơn so với pin lithium-ion.
Thứ hai, pin mà Hatzell nghiên cứu là loại "không có cực dương", nghĩa là điện cực âm đã bị loại bỏ. Thay vào đó, các ion chảy từ cực âm dương trực tiếp đến bộ thu dòng điện ở đầu đối diện của pin. Các ion sau đó phủ lên chính bộ thu dòng điện, tạo thành một lớp kim loại mỏng khi pin sạc.
Việc loại bỏ anode làm cho pin rẻ hơn và thậm chí nhỏ gọn hơn so với pin thể rắn tiêu chuẩn. Đồng thời, pin thể rắn không có anode tránh được tình trạng tắc nghẽn lớn khi triển khai so với pin thể rắn tiêu chuẩn, vì anode trong hầu hết các loại pin thể rắn là lá kim loại lithium đòi hỏi các phương pháp sản xuất chuyên biệt.
"Nếu bạn có thể lắp ráp pin mà không cần anode kim loại lithium, bạn sẽ cắt giảm đáng kể chi phí trong khi vẫn tận dụng được các quy trình sản xuất hiện có", Hatzell cho biết. "Cả hai lợi thế này đều là chìa khóa nếu bạn muốn tạo ra bước đột phá trên thị trường pin".
Nứt dưới áp lực
Mặc dù những loại pin thế hệ tiếp theo này nghe có vẻ tốt trên lý thuyết, nhưng chúng phải đối mặt với nhiều thách thức trong thực tế. Trước hết trong số đó là đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chất điện phân rắn và bộ thu dòng điện. Điều này đảm bảo rằng khi các ion di chuyển qua chất điện phân, chúng sẽ lắng đọng đều trên bộ thu dòng điện khi pin được sạc và tách đều khỏi bộ thu dòng điện khi pin được xả.
Trong một bài báo được công bố ngày 22 tháng 2 trên ACS Energy Letters, Hatzell và tác giả đầu tiên Se Hwan Park, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của bà, đã khám phá cách các yếu tố như áp suất tác dụng lên pin ảnh hưởng đến sự tiếp xúc giữa chất điện phân và bộ thu dòng điện.
"Trong quá trình sạc và xả, pin trải qua phản ứng điện hóa. Bằng cách áp dụng áp suất bên ngoài, chúng tôi cũng đưa vào các lực cơ học", Park cho biết. "Đó là một hệ thống rất phức tạp, với nhiều lực tương tác".
Một thiết bị được chế tạo để đo lường tác động của áp suất lên hệ thống pin. Tín dụng: Bumper DeJesus, Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger
Không giống như chất điện phân lỏng trong pin truyền thống có thể dễ dàng thay đổi hình dạng, chất điện phân rắn rất cứng. Do đó, bất kỳ khiếm khuyết hoặc bất thường nào trên bề mặt của chất điện phân hoặc bộ thu dòng điện trong pin thể rắn đều ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng tiếp xúc giữa hai thành phần.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc áp dụng áp suất thấp vào hệ thống không đủ để cải thiện sự tiếp xúc không đồng đều do những bề mặt không đồng đều đó gây ra, dẫn đến việc các ion mạ và tách không đồng đều trên bộ thu dòng điện khi pin được sạc và xả. Các khu vực tiếp xúc tốt trở thành điểm nóng, trong khi các khu vực tiếp xúc kém hình thành các lỗ rỗng. Cuối cùng, lớp mạ không đồng đều dẫn đến sự hình thành các sợi kim loại sắc nhọn, giống như những chiếc kim nhỏ, có thể đâm thủng chất điện phân rắn và khiến pin bị đoản mạch.
Ở áp suất cao, các nhà nghiên cứu gặp phải một vấn đề khác. Trong khi họ phát hiện ra rằng áp suất cao hơn có lợi cho tiếp xúc tốt hơn và mạ và tước đồng đều hơn, áp suất cao đã buộc chất điện phân và bộ thu dòng điện lại với nhau mạnh đến mức bất kỳ sự không hoàn hảo nào ở cả hai đều được phóng đại cho đến khi ứng suất cơ học gây ra các vết nứt.
Do đó, áp suất thấp và cao khiến pin hỏng, nhưng vì những lý do khác nhau—hoặc quá ít hoặc quá nhiều tiếp xúc giữa chất điện phân và bộ thu dòng điện. Hatzell cho biết cả hai chế độ hỏng đều cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về những cách tốt nhất để chế tạo và vận hành pin thể rắn không có cực dương.
"Chén Thánh trong lĩnh vực này sẽ là tìm ra cách duy trì tiếp xúc chắc chắn ở áp suất thấp, vì việc sản xuất chất điện phân không có khuyết tật là điều gần như không thể", Hatzell cho biết. "Nếu chúng ta muốn hiện thực hóa tiềm năng của những loại pin này, chúng ta phải giải quyết vấn đề tiếp xúc".
Một tia hy vọng
Trong khi kết quả nghiên cứu của họ nhấn mạnh tầm quan trọng của sự tiếp xúc đều giữa chất điện phân và bộ thu dòng điện, một bài báo thứ hai của nhóm Hatzell, được công bố vào ngày 19 tháng 12 năm 2024 trên tạp chí Advanced Energy Materials, đã nghiên cứu một cách để đạt được sự tiếp xúc đó.
Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể đạt được quá trình mạ và tách ion đồng đều hơn bằng cách áp dụng một lớp phủ mỏng giữa bộ thu dòng điện và chất điện phân để tạo điều kiện vận chuyển ion tốt hơn.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một số lớp phủ này, được gọi là lớp xen kẽ, để nghiên cứu cách cấu trúc và thành phần của chúng tác động đến cách mạ ion trong khi pin sạc.
Phù hợp với nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các lớp xen kẽ làm từ các hạt nano carbon và bạc có khả năng tạo ra lớp lắng đọng kim loại đồng đều nhất. Bạc trong các lớp xen kẽ này tạo thành hợp kim với các ion trong quá trình sạc và xả pin, cho phép mạ và tách đều từ bộ thu dòng điện.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng kích thước của các hạt nano bạc có ý nghĩa. Các lớp xen kẽ với các hạt bạc lớn hơn, 200 nanomet tạo thành các cấu trúc kim loại mảnh khảnh, không đồng đều trên bộ thu dòng điện. Các cấu trúc giống như dây này làm cho pin kém bền hơn, dẫn đến giảm dung lượng và cuối cùng là hỏng pin sau nhiều chu kỳ sạc.
Các lớp xen kẽ với các hạt bạc nhỏ hơn 50 nanomet hỗ trợ các cấu trúc dày đặc và đồng đều hơn, tạo ra pin có độ ổn định cao hơn và công suất đầu ra cao hơn.
"Chỉ một số ít nhóm đã nghiên cứu các quá trình thực tế diễn ra trong các lớp xen kẽ này", Park cho biết. "Trong số những phát hiện khác, chúng tôi đã chứng minh rằng tính ổn định của các hệ thống này có liên quan đến hình thái của kim loại khi nó được mạ và tách ra khỏi bộ thu dòng điện".
Sự khác biệt, Park giải thích, nằm ở quá trình hợp kim hóa, khiến các hạt bạc trong lớp xen kẽ giãn nở. Sự giãn nở này dẫn đến ứng suất cục bộ có thể làm thay đổi cấu trúc của lớp xen kẽ, hình thành và giãn nở các lỗ chân lông cản trở dòng ion. Khi các hạt nano nhỏ hơn và do đó phân tán tốt hơn, ứng suất được phân bổ đều hơn trên khắp lớp xen kẽ.
"Những phát hiện này có thể cung cấp thông tin cho chiến lược chế tạo các lớp xen kẽ này", Park cho biết. "Bằng cách giảm kích thước của các hạt bạc, chúng tôi có thể đảm bảo rằng chúng tôi chỉ nhận được lợi thế của bạc trong lớp xen kẽ, điều này, đến lượt nó, có thể cho phép chúng tôi đạt được tiếp xúc tốt và mạ đồng đều ngay cả ở áp suất thấp".
Sạc vào tương lai
Ngoài công trình thử nghiệm của nhóm mình, Hatzell và một số cộng tác viên của MUSIC đã xem xét tình trạng hiện tại của pin thể rắn không có cực dương trong một bài báo được công bố vào ngày 2 tháng 1 trên tạp chí Nature Materials, tóm tắt những tiến bộ gần đây và xác định những khoảng trống nghiên cứu nổi bật.
Park và Hatzell đồng ý rằng một trong những lỗ hổng lớn nhất trong nghiên cứu pin là chứng minh liệu các kỹ thuật thành công trong phòng thí nghiệm có thể được mở rộng và đưa vào chuỗi cung ứng sản xuất pin hiện có hay không. Họ cũng hy vọng ở đó.
Sau khi pin thể rắn được hứa hẹn là tương lai của lưu trữ năng lượng trong nhiều năm, Hatzell cho biết các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc hiện có kế hoạch ngắn hạn để đưa pin thể rắn ra thị trường. Ví dụ, Samsung đã tuyên bố sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt pin thể rắn vào năm 2027 và Toyota có mục tiêu sản xuất hàng loạt vào năm 2030.
"Thách thức sẽ là đưa nghiên cứu vào thế giới thực chỉ trong vài năm nữa", Hatzell cho biết. "Hy vọng công việc chúng tôi đang thực hiện tại MUSIC có thể hỗ trợ cho việc phát triển và triển khai các loại pin thế hệ tiếp theo này ở quy mô lớn có ý nghĩa".
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
