Tăng sức mạnh: Nhóm nghiên cứu phát triển chiến lược cho pin thể rắn tốt hơn
bởi Kathleen Haughney, Đại học Bang Florida
Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua quét cho thấy sự phân bố nguyên tố trong chất điện phân rắn “rối loạn”: Hàng trên cùng: titan (Ti), zirconi (Zr) và thiếc (Sn); hàng dưới cùng: hafni (Hf), phốt pho (P) và oxy (O). Thanh tỷ lệ: 50 nanomet. Ảnh: Yan Zeng và Gerd Ceder/Berkeley Lab
Một nhóm từ Đại học bang Florida và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã phát triển một chiến lược mới để chế tạo pin thể rắn ít phụ thuộc vào các nguyên tố hóa học cụ thể, đặc biệt là kim loại đắt tiền với các vấn đề về chuỗi cung ứng.
Công trình của họ đã được xuất bản trên tạp chí Khoa học.
Bin Ouyang, phó giáo sư tại Khoa Hóa học và Hóa sinh, lần đầu tiên phát triển ý tưởng cho công trình này khi đang hoàn thành nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, cùng với đồng tác giả đầu tiên Yan Zeng, và cố vấn sau tiến sĩ của họ Gerbrand Ceder . Trong nghiên cứu của mình, họ đã chứng minh rằng sự kết hợp của nhiều phân tử trạng thái rắn khác nhau có thể tạo ra một loại pin dẫn điện tốt hơn và ít phụ thuộc vào một lượng lớn nguyên tố riêng lẻ.
“Không có yếu tố anh hùng nào ở đây,” Ouyang nói. "Đó là một tập hợp các nguyên tố đa dạng làm cho mọi thứ hoạt động. Điều chúng tôi nhận thấy là chúng ta có thể có được vật liệu dẫn điện cao này miễn là các nguyên tố khác nhau có thể lắp ráp theo cách mà các nguyên tử có thể di chuyển nhanh chóng. Và có nhiều tình huống có thể dẫn đến những cái gọi là đường cao tốc khuếch tán nguyên tử, bất kể nó có thể chứa những nguyên tố nào."
Pin thể rắn hoạt động gần giống như các loại pin khác—chúng lưu trữ năng lượng và sau đó giải phóng năng lượng đó cho các thiết bị cấp nguồn. Tuy nhiên, thay vì chất điện phân lỏng hoặc gel polyme có trong pin lithium-ion, chúng sử dụng điện cực rắn và chất điện phân rắn. Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng cao hơn có thể xảy ra trong pin vì kim loại lithium có thể được sử dụng làm cực dương. Ngoài ra, chúng có nguy cơ hỏa hoạn thấp hơn và có khả năng tăng quãng đường đi được của xe điện.
Tuy nhiên, nhiều loại pin được chế tạo cho đến nay dựa trên các kim loại quan trọng không có sẵn với số lượng lớn. Một số hoàn toàn không được tìm thấy ở Hoa Kỳ. Cho rằng Hoa Kỳ và nhiều quốc gia khác có kế hoạch thay thế tất cả các phương tiện giao thông bằng xe điện vào năm 2050, sẽ có một sự căng thẳng rất lớn đối với chuỗi cung ứng các kim loại quan trọng.
Nhóm nghiên cứu đã xem xét con đường đơn giản là sử dụng một yếu tố để thay thế những yếu tố thường được sử dụng, nhưng cách tiếp cận đó đã làm nảy sinh các vấn đề về chuỗi cung ứng của chính nó. Thay vào đó, nhóm đã tiếp cận vấn đề bằng cách thiết kế các vật liệu không phụ thuộc vào một yếu tố cụ thể nào. Ví dụ, thay vì tạo ra một loại pin làm bằng germanium, hiếm khi xuất hiện tự nhiên ở nồng độ cao, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hỗn hợp titan, zirconi, thiếc và hafnium.
Ouyang cho biết: “Với tính năng như vậy, chúng ta cần tập hợp các nguyên tố đó theo cách để có nhiều cấu hình cục bộ 'tốt' có thể tạo thành một mạng lưới vận chuyển nhanh các nguyên tử hoặc năng lượng. "Hãy coi nó như một đường cao tốc. Miễn là có một đường cao tốc được kết nối để khuếch tán nguyên tử, thì các nguyên tử có thể di chuyển nhanh chóng."
Nghiên cứu này đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới cho Ouyang và các đồng nghiệp của ông khi họ nỗ lực chế tạo pin thể rắn hiệu quả hơn.
Chính phủ, nghiên cứu và học viện đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển pin thể rắn vì pin chứa chất lỏng dễ bị quá nóng, cháy và mất điện. Pin thể rắn nhỏ hơn đã cung cấp năng lượng cho các thiết bị như đồng hồ thông minh và máy tạo nhịp tim. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất tin rằng những đột phá trong lĩnh vực này có nghĩa là một ngày nào đó pin thể rắn có thể giúp ích cho xe điện hoặc máy bay.
