Các nhà nghiên cứu do Giáo sư Kang Kisuk thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hạt nano thuộc Viện Khoa học Cơ bản (IBS) dẫn đầu, đã công bố một bước đột phá lớn trong lĩnh vực pin thể rắn thế hệ tiếp theo. Người ta tin rằng những phát hiện mới của họ sẽ cho phép tạo ra pin dựa trên chất điện phân rắn gốc clorua mới có tính dẫn ion đặc biệt.
Sự sắp xếp của các ion kim loại (trong trường hợp này là yttri) trong mỗi lớp ảnh hưởng đến độ dẫn ion. Để đảm bảo chuyển động không bị cản trở của các ion lithium, số lượng ion kim loại chiếm các vị trí có sẵn trong mỗi lớp phải nhỏ hơn 0,444. Hơn nữa, để tạo ra một đường dẫn đủ rộng cho các ion lithium trong mỗi lớp, tỷ lệ chiếm chỗ của các ion kim loại phải lớn hơn 0,167. Do đó, việc đạt được tỷ lệ chiếm giữ các ion kim loại trong khoảng từ 0,167 đến 0,444 trong mỗi lớp sẽ tạo ra một lớp dẫn điện có độ dẫn ion cao. Nguồn: Viện Khoa học cơ bản
Mối lo ngại cấp bách đối với các loại pin thương mại hiện nay là sự phụ thuộc vào chất điện phân lỏng, dẫn đến nguy cơ cháy nổ. Do đó, việc phát triển các chất điện phân rắn không cháy là hết sức quan trọng để thúc đẩy công nghệ pin thể rắn.
Khi thế giới chuẩn bị quản lý các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và mở rộng việc sử dụng xe điện trong xu hướng toàn cầu đang diễn ra hướng tới giao thông bền vững, nghiên cứu về các thành phần cốt lõi của pin thứ cấp, đặc biệt là pin thể rắn, đã đạt được động lực đáng kể.
Để làm cho pin thể rắn trở nên thiết thực cho mục đích sử dụng hàng ngày, điều quan trọng là phải phát triển các vật liệu có độ dẫn ion cao, độ ổn định hóa học và điện hóa mạnh mẽ cũng như tính linh hoạt cơ học. Mặc dù nghiên cứu trước đây đã thành công trong việc tạo ra các chất điện phân rắn gốc sunfua và oxit có độ dẫn ion cao, nhưng không có vật liệu nào trong số này đáp ứng đầy đủ tất cả các yêu cầu thiết yếu này.
Trước đây, các nhà khoa học cũng đã khám phá các chất điện phân rắn gốc clorua, được biết đến với tính dẫn ion vượt trội, tính linh hoạt cơ học và độ ổn định ở điện áp cao. Những đặc tính này khiến một số người suy đoán rằng pin dựa trên clorua là ứng cử viên sáng giá nhất cho pin thể rắn. Tuy nhiên, những hy vọng này nhanh chóng tắt ngấm vì pin clorua được coi là không thực tế do chúng phụ thuộc nhiều vào các kim loại đất hiếm đắt tiền, bao gồm các nguyên tố yttrium, scandium và lanthanide, làm thành phần thứ cấp.
Để giải quyết những lo ngại này, nhóm nghiên cứu IBS đã xem xét sự phân bố của các ion kim loại trong chất điện phân clorua. Họ tin rằng lý do chất điện phân clorua lượng giác có thể đạt được độ dẫn ion thấp là dựa trên sự thay đổi cách sắp xếp ion kim loại trong cấu trúc.
Lần đầu tiên họ thử nghiệm lý thuyết này trên lithium yttri clorua, một hợp chất clorua kim loại lithium phổ biến. Khi các ion kim loại được đặt gần đường đi của các ion lithium, lực tĩnh điện sẽ gây ra sự cản trở chuyển động của chúng. Ngược lại, nếu tỷ lệ chiếm giữ ion kim loại quá thấp, đường đi của các ion lithium trở nên quá hẹp, cản trở khả năng di chuyển của chúng.
Dựa trên những hiểu biết sâu sắc này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra các chiến lược thiết kế chất điện phân theo cách giảm thiểu các yếu tố xung đột này, cuối cùng dẫn đến sự phát triển thành công chất điện phân rắn có độ dẫn ion cao. Nhóm đã tiến xa hơn khi chứng minh thành công chiến lược này bằng cách tạo ra pin thể rắn lithium-kim loại-clorua dựa trên zirconium, rẻ hơn nhiều so với các biến thể sử dụng kim loại đất hiếm.
Đây là trường hợp đầu tiên chứng minh được tầm quan trọng của sự sắp xếp các ion kim loại đối với độ dẫn ion của vật liệu.
Nghiên cứu này làm sáng tỏ vai trò thường bị bỏ qua của sự phân bố ion kim loại trong độ dẫn ion của chất điện phân rắn gốc clorua. Dự kiến, nghiên cứu của Trung tâm IBS sẽ mở đường cho sự phát triển các chất điện phân rắn dựa trên clorua khác nhau và thúc đẩy hơn nữa việc thương mại hóa pin thể rắn, hứa hẹn cải thiện khả năng chi trả và an toàn trong việc lưu trữ năng lượng.
Tác giả tương ứng Kang Kisuk cho biết: "Chất điện phân rắn dựa trên clorua mới được phát hiện này đã sẵn sàng vượt qua những hạn chế của chất điện phân rắn dựa trên sunfua và oxit thông thường, đưa chúng ta tiến một bước gần hơn đến việc sử dụng rộng rãi pin thể rắn."
Bài báo được công bố trên tạp chí Khoa học .
