Pin lithium-ion được coi rộng rãi là một nhu cầu thiết yếu để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của chúng ta trong khi giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, cho đến nay, việc triển khai thương mại của chúng đã bị cản trở bởi các vấn đề an toàn liên quan đến việc sử dụng chất điện phân lỏng: bao gồm khả năng các hóa chất độc hại mà chúng chứa có thể rò rỉ vào môi trường hoặc thậm chí phát nổ nếu chúng trở nên quá nóng.
Sạc pin thể rắn. Tín dụng: Shirley Reis
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Solid State Ionics, Shirley Reis và các đồng nghiệp tại Viện Đổi mới SENAI thuộc Điện hóa học, Curitiba, Brazil, đã chỉ ra cách duy trì hiệu suất mạnh mẽ và cải thiện độ an toàn trong pin lithium-ion khi chất điện phân lỏng được thay thế bằng vật liệu composite rắn, bao gồm hỗn hợp chất điện phân gốm và polyme được thiết kế đặc biệt.
Những phát hiện đầy hứa hẹn này cho thấy rằng khi sử dụng đúng vật liệu, pin thể rắn có thể phù hợp cho các ứng dụng bao gồm xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo.
Reis cho biết: "Là một phần trong quan hệ đối tác kéo dài 5 năm giữa Viện của chúng tôi và Công ty Luyện kim và Khai khoáng Brazil (CBMM), mục tiêu chính của nghiên cứu của chúng tôi là cho phép sử dụng nguyên liệu thô gốc niobi do công ty sản xuất cho thế hệ pin lithium-ion tiếp theo".
Trong cả pin thể rắn và lỏng, điện tích được mang theo bởi các ion trong chất điện phân, được kẹp giữa một cặp điện cực. Các ion này di chuyển từ cực dương sang cực âm khi pin xả, sau đó quay trở lại trong quá trình sạc. Tuy nhiên, pin thể rắn có những lợi thế rõ ràng so với pin thể lỏng—ít nhất là về nguyên tắc.
"Vì không bắt lửa và có độ ổn định nhiệt cao hơn, pin thể rắn là công nghệ được săn đón nhiều và đã được nghiên cứu rộng rãi như một chất thay thế cho chất điện phân lỏng", Reis giải thích. "Tuy nhiên, cần có nhiều nghiên cứu hơn để hiểu rõ hơn về công nghệ này và đưa nó vào thị trường thương mại".
Thách thức là chất điện phân rắn thường đi kèm với những hạn chế đáng kể khiến chúng không phù hợp để sử dụng trong pin thương mại. Đặc biệt, chất điện phân gốm có độ dẫn ion cao và ổn định ở điện áp cao, nhưng thường rất giòn. Ngược lại, chất điện phân polyme linh hoạt hơn nhiều, nhưng có độ dẫn ion thấp và thường không ổn định ở điện áp cao.
Trong nghiên cứu của mình, nhóm của Reis đã xem xét khả năng pha trộn chất điện phân gốm và polyme thành chất điện phân 'tổng hợp', kết hợp những ưu điểm độc đáo của cả hai loại vật liệu.
Hợp chất do nhóm nghiên cứu sản xuất bao gồm hỗn hợp oxit garnet niobium pha tạp zirconium và polyme oxit polyethylene. Họ đã nghiên cứu hiệu suất của nó khi được sạc và xả bằng cách sử dụng anot lithium kim loại và catot NMC có hàm lượng niken cao,
Họ cũng đã thử nghiệm các biến thể khác nhau về tỷ lệ giữa gốm và polyme trong vật liệu tổng hợp, cho phép họ xác định chính xác thành phần nào phù hợp nhất với pin thể rắn. Trong tất cả các vật liệu tổng hợp mà họ thử nghiệm, chất điện phân đã chứng minh được tính linh hoạt tốt, độ dẫn điện cao của ion lithium và độ ổn định mạnh ở điện áp cao. Nó thậm chí có thể giữ lại phần lớn dung lượng sạc ban đầu sau nhiều chu kỳ sạc và xả.
Như Reis mô tả, "kết quả rất hứa hẹn và cho thấy khả năng sử dụng catốt có hàm lượng niken cao trong pin thể rắn để tăng mật độ năng lượng của chúng". Khi chứng minh được hiệu suất mạnh mẽ như vậy trong pin được chế tạo từ vật liệu giá rẻ, dễ kiếm, các nhà nghiên cứu hiện hy vọng rằng kết quả của họ sẽ có ý nghĩa hứa hẹn cho tương lai của pin lithium-ion thể rắn.
"Sự phát triển của thị trường pin lithium-ion trên toàn thế giới mở ra những cơ hội mới để phát triển các vật liệu và công nghệ mới giúp cải thiện tính chất của pin", Reis kết luận. "Các kết quả thu được trong bài báo của chúng tôi rất phù hợp với tài liệu và chúng tôi hy vọng chúng sẽ giúp cải thiện hiểu biết của chúng tôi về cách chất điện phân tổng hợp có thể được sử dụng cho tất cả các loại pin thể rắn với vật liệu catốt có hàm lượng niken cao".
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
