Để hỗ trợ sự tiến bộ hơn nữa của ngành công nghiệp điện tử, các nhà nghiên cứu năng lượng đã cố gắng phát triển các công nghệ pin mới có thể sạc nhanh hơn, cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong thời gian dài hơn và có tuổi thọ tổng thể dài hơn. Một số loại pin mới nổi đầy hứa hẹn nhất có thể đáp ứng các yêu cầu này là pin toàn thể rắn (ASSB).
Minh họa sơ đồ các chiến lược để khắc phục từng yếu tố làm giảm công suất trong ASSB. Tín dụng: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8
ASSB là loại pin chứa chất điện phân rắn, trái ngược với chất điện phân lỏng có trong các công nghệ pin thông thường. So với pin lithium-ion (Li-ion), loại pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, ASSB có thể an toàn hơn vì chất điện phân rắn thường ít có khả năng bắt lửa hơn và cũng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn (tức là có mật độ năng lượng cao hơn).
Một thành phần cốt lõi của những loại pin này là cái gọi là vật liệu hoạt động catốt (CAM), một thành phần lưu trữ và giải phóng các ion lithium. Các vật liệu nhiều lớp giàu niken (Ni) là CAM đặc biệt hứa hẹn, nhưng chúng cũng được phát hiện có những hạn chế đáng kể.
Cụ thể, các nghiên cứu trước đây cho thấy các catốt này có thể làm giảm khả năng giữ điện tích theo thời gian của ASSB, một quá trình được gọi là suy giảm dung lượng. Việc giảm dung lượng mà chúng gây ra có liên quan đến các phản ứng hóa học tại giao diện giữa catốt giàu Ni và chất điện phân, cũng như sự giãn nở, co lại và phân hủy của các hạt catốt.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hanyang ở Hàn Quốc gần đây đã thực hiện một nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cách lượng Ni trong CAM ảnh hưởng đến sự phân hủy của ASSB. Phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, đã cung cấp thông tin cho việc phát triển các catốt giàu Ni mới có thể tăng hiệu suất và tuổi thọ của ASSB.
"ASSBs bao gồm vật liệu hoạt tính catốt nhiều lớp giàu Ni (CAM) và chất điện phân rắn sulfide là những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho pin thế hệ tiếp theo với mật độ năng lượng cao và an toàn", Nam-Yung Park, Han-Uk Lee và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ. "Tuy nhiên, sự suy giảm dung lượng nghiêm trọng xảy ra do sự thoái hóa bề mặt tại giao diện CAM-chất điện phân và những thay đổi thể tích mạng nghiêm trọng trong CAM, dẫn đến sự cô lập các hạt bên trong và tách rời CAM khỏi chất điện phân".
Hành vi hình thành vết nứt trong CAM S-Ni90 và SM-Ni90 ở trạng thái tích điện. Tín dụng: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8
Là một phần của nghiên cứu, Park, Lee và các đồng nghiệp của ông trước tiên đã xác định từng yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy ASSB với CAM giàu Ni và định lượng tác động của chúng. Để làm được điều này, họ đã tổng hợp bốn loại catốt giàu Ni khác nhau, với hàm lượng Ni dao động từ 80 đến 95%.
Những vật liệu này bao gồm vật liệu catốt Li[NixCoyAl1−x−y]O2 nguyên sơ, CAM phủ boron, CAM pha tạp Nb và CAMS vừa phủ boron vừa pha tạp Nb. Sau đó, họ kiểm tra kỹ lưỡng cách các vật liệu catốt khác nhau này và nồng độ Ni của chúng ảnh hưởng đến sự phân hủy của ASSB.
"Chúng tôi định lượng các yếu tố làm giảm dung lượng của catốt ASSB composite Li[NixCoyAl1−x−y]O2 giàu Ni theo hàm lượng Ni", Park, Lee và các đồng nghiệp của họ viết. "Sự thoái hóa bề mặt tại giao diện CAM–chất điện phân được phát hiện là nguyên nhân chính gây ra sự giảm dung lượng trong CAM có hàm lượng Ni 80%, trong khi sự cô lập hạt bên trong và sự tách rời của CAM khỏi chất điện phân đóng vai trò đáng kể khi hàm lượng Ni tăng lên 85% trở lên".
Nhìn chung, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự xuống cấp bề mặt tại giao diện giữa vật liệu catốt giàu Ni và chất điện phân là nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp dung lượng ASSB. Mặt khác, sự cô lập các hạt bên trong và sự tách rời của chúng khỏi vật liệu catốt chỉ ảnh hưởng đến dung lượng của pin khi catốt chứa hơn 85% Ni.
Park, Lee và các đồng nghiệp của ông sau đó đã dựa trên những phát hiện của họ để phát triển các CAM giàu Ni mới với bề mặt và hình thái thay đổi. Các vật liệu này có cấu trúc dạng cột được phát hiện có hiệu quả làm giảm sự tách rời các hạt khỏi vật liệu catốt và sự cô lập các hạt bên trong.
Khi được triển khai trong một cell đầy đủ dạng túi với điện cực không có anot C/Ag, các catốt mới này vẫn giữ được 80,2% công suất ban đầu sau 300 chu kỳ hoạt động. Những hiểu biết giá trị mà nhóm nghiên cứu này thu thập được và các catốt mà họ phát triển có thể sớm giúp cải thiện hiệu suất của ASSB hơn nữa, có khả năng đóng góp vào việc triển khai và áp dụng rộng rãi trong tương lai.
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
