Vật liệu gốc gỗ có thể cải thiện độ an toàn và tuổi thọ của pin lithium-ion
Tác giả: Emilie Lorditch, Đại học bang Michigan
Từ trái sang phải: Bộ tách gốc gỗ trong pin lithium-ion so với bộ tách nhựa thông thường trong pin lithium-ion. Nguồn: Đại học bang Michigan/Molly Killingbeck
Đối với những người tiêu dùng lo lắng về những rủi ro liên quan đến việc sử dụng pin lithium-ion—loại pin được sử dụng trong mọi thứ, từ điện thoại đến máy tính xách tay đến xe điện—Đại học bang Michigan đã phát hiện ra rằng một vật liệu tự nhiên có trong gỗ có thể cải thiện độ an toàn của pin đồng thời cải thiện tuổi thọ của pin.
Chengcheng Fang, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật và Mojgan Nejad, phó giáo sư tại Khoa Nông nghiệp và Tài nguyên thiên nhiên, đã hợp tác để chế tạo lignin, một thành phần tự nhiên của gỗ cung cấp khả năng hỗ trợ và độ cứng, thành một bộ tách màng mỏng có thể được sử dụng bên trong pin lithium-ion để ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch có thể gây ra hỏa hoạn.
"Chúng tôi muốn chế tạo một loại pin tốt hơn", Fang cho biết. "Nhưng chúng tôi cũng muốn nó an toàn, hiệu quả và bền vững".
Bên trong pin, cực âm và cực dương tích điện dương giúp dòng điện chạy qua. Để tách các điện cực này ra, một bộ tách thương mại thường được làm từ vật liệu nhựa polyethylene và polypropylene, có thể co lại ở nhiệt độ gần 100°C. Nếu không có bộ tách bảo vệ, cực âm và cực dương của pin có khả năng chạm vào nhau, gây ra hiện tượng đoản mạch ngẫu nhiên và có thể gây cháy nổ.
Ngược lại, các bộ tách dựa trên lignin được phát triển vẫn ổn định và không bị nhỏ lại ở nhiệt độ lên tới 300°C.
Fang và nhóm của cô đã thử nghiệm các độ dày khác nhau của lignin và phát hiện ra rằng các màng mỏng có kích thước 25 micromet, mỏng hơn một phần tư sợi tóc của con người, là loại màng hiệu quả nhất trong việc giữ cho bên trong pin ổn định và ngăn không cho cực dương và cực âm kết nối với nhau.
Sử dụng màng lignin bên trong pin còn có một lợi ích khác: độ ổn định tăng lên bên trong pin cũng giúp cải thiện tuổi thọ chu kỳ, tức là số lần pin có thể được sạc và sử dụng.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy màng lignin cũng cải thiện tuổi thọ chu kỳ của pin", Fang cho biết. "Chúng tôi đã tăng tuổi thọ chu kỳ của pin lên 60%".
Ưu điểm thứ ba của nghiên cứu này là thân thiện với môi trường. Nhóm nghiên cứu đã có thể sản xuất các bộ tách lignin bằng phương pháp chế biến khô chi phí thấp. Điều này có nghĩa là nhóm nghiên cứu có thể sản xuất số lượng lớn màng lignin theo yêu cầu, đồng thời tránh sử dụng các dung môi có hại thường được sử dụng trong sản xuất bộ tách truyền thống, có thể gây hại cho môi trường.
Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng lignin và các vật liệu khác có khả năng chuyển đổi 100% nguyên liệu thô để tạo ra màng mà không tạo ra bất kỳ chất thải hoặc ô nhiễm nào.
"Lignin, đặc biệt là lignosulfonate, có sẵn trong tự nhiên và không cần xử lý thêm để hoạt động trong pin", Fang cho biết. "Công trình này chứng minh một con đường thiết kế mới để cải thiện cả tính an toàn và khả năng sản xuất của vật liệu pin".
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials và công nghệ này đang chờ cấp bằng sáng chế thông qua Trung tâm đổi mới MSU.
Thông tin thêm: Huanhuan Jia và cộng sự, Bộ tách dựa trên Lignin cho pin lithium-ion thông qua phương pháp sấy khô, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202419694
Thông tin tạp chí: Advanced Materials
