Khi chúng ta cắm điện thoại di động vào để sạc, chúng ta cho rằng chúng sẽ sớm tràn đầy năng lượng để lướt web, nhắn tin và nhận thông báo tin tức. Nhưng công nghệ cung cấp năng lượng cho chúng—pin lithium-ion có thể sạc lại—đã báo hiệu một cuộc cách mạng công nghệ thực sự khi những loại pin này lần đầu tiên xuất hiện trên thị trường thương mại vào những năm 1990 và chúng đã mang về cho những nhà phát triển giải Nobel Hóa học năm 2019. Nếu không có sự đổi mới này, điện thoại thông minh, tai nghe không dây và xe điện của chúng ta sẽ không khả thi về mặt môi trường và kinh tế.
Các nhánh cây phát triển trong pin thiếc, được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử. Tín dụng: Shakked Schwartz và Ayan Maity
Tốc độ phát triển của công nghệ đòi hỏi phải có những loại pin mạnh hơn và an toàn hơn, nhưng việc phát triển chúng không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Ví dụ, pin kim loại lithium trong tương lai có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn đáng kể so với những loại pin thông thường hiện nay, nhưng chúng cũng đặt ra một thách thức đáng kể: Trong mỗi lần sạc, các sợi nhỏ gọi là dendrite được hình thành bên trong chúng.
Khi các nhánh cây tích tụ, chúng có thể tạo ra các cầu kim loại bên trong pin, cho phép truyền electron không kiểm soát, có thể làm hỏng pin và đáng lo ngại hơn là gây ra nguy cơ hỏa hoạn. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu có các kỹ thuật hạn chế để mô tả quá trình hình thành các nhánh cây.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications và được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Michal Leskes, thuộc Khoa Hóa học phân tử và Khoa học vật liệu của Viện Khoa học Weizmann, các nhà nghiên cứu do Tiến sĩ Ayan Maity đứng đầu đã phát triển một kỹ thuật cải tiến cho phép họ không chỉ xác định những yếu tố bên trong pin ảnh hưởng đến sự tích tụ của các nhánh cây mà còn nhanh chóng kiểm tra hiệu quả và tính an toàn của các thành phần pin thay thế.
Pin sạc hoạt động bằng cách cho phép các ion tích điện dương di chuyển từ điện cực âm (anode) đến điện cực dương (cathode) thông qua một chất dẫn điện gọi là chất điện phân. Khi pin được sạc, các ion trở về anode—trái ngược với những gì xảy ra tự nhiên trong phản ứng hóa học—và điều này chuẩn bị cho pin để sử dụng nhiều lần.
Pin lithium metal có tính sáng tạo ở chỗ cực dương của chúng được làm bằng kim loại lithium nguyên chất, cho phép chúng lưu trữ một lượng lớn năng lượng. Vấn đề là kim loại lithium có hoạt tính hóa học cao và tương tác với bất kỳ vật liệu nào mà nó gặp phải. Vì vậy, khi nó tương tác với chất điện phân, các dendrite nhanh chóng được tạo ra với số lượng gây nguy hiểm cho người dùng và sức khỏe của pin.
Có thể tránh được nguy cơ hỏa hoạn bằng cách thay thế chất điện phân lỏng, dễ cháy trong pin bằng vật liệu rắn, không cháy, chẳng hạn như hỗn hợp polyme và hạt gốm. Sự cân bằng giữa hai thành phần này ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành các sợi nhánh, nhưng thách thức chính vẫn là tìm ra thành phần lý tưởng để kéo dài tuổi thọ của pin.
Một mảnh kim loại lithium sắp trở thành điện cực pin. Tín dụng: Viện Khoa học Weizmann
Nhóm nghiên cứu quyết định giải quyết câu hỏi này bằng cách sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) - một kỹ thuật được chấp nhận để tiết lộ cấu trúc hóa học của vật liệu - cho phép họ theo dõi sự phát triển của các nhánh cây và xác định các tương tác hóa học trong chất điện phân.
"Khi chúng tôi kiểm tra các nhánh cây trong pin với tỷ lệ polyme và gốm khác nhau, chúng tôi đã tìm thấy một loại 'tỷ lệ vàng': Chất điện phân được tạo thành từ 40 phần trăm gốm có tuổi thọ dài nhất", Leskes giải thích. "Khi chúng tôi tăng lên trên 40 phần trăm gốm, chúng tôi gặp phải các vấn đề về cấu trúc và chức năng cản trở hiệu suất của pin, trong khi dưới 40 phần trăm dẫn đến giảm tuổi thọ pin".
Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên là ở những pin hoạt động tốt nhất, số lượng sợi nhánh tăng lên, nhưng sự phát triển của chúng bị ngăn chặn và chúng hình thành ít hơn những cây cầu nguy hiểm này.
Những phát hiện này đã dẫn các nhà nghiên cứu đến câu hỏi trị giá hàng triệu đô la, có thể có giá trị hơn nhiều về mặt ứng dụng thương mại: Điều gì đang ngăn cản sự phát triển của các nhánh cây? Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng câu trả lời nằm ở một lớp mỏng trên bề mặt của các nhánh cây được gọi là pha điện phân rắn hoặc SEI. Lớp SEI, hình thành khi các nhánh cây phản ứng với chất điện phân, có thể bao gồm nhiều chất khác nhau có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến pin.
Ví dụ, thành phần hóa học của lớp SEI có thể cản trở hoặc cải thiện chuyển động của các ion lithium dọc theo pin và chặn hoặc tạo điều kiện cho chuyển động của các vật liệu có hại từ cực dương sang cực âm, từ đó có thể cản trở hoặc đẩy nhanh quá trình phát triển của các nhánh cây.
Để mô tả các lớp SEI, các nhà nghiên cứu cần phải suy nghĩ "bên ngoài pin". Vì các lớp này chỉ bao gồm vài chục nanomet nguyên tử, nên các tín hiệu thu được từ chúng bằng NMR khá yếu. Trong nỗ lực củng cố các tín hiệu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật hiếm khi được sử dụng trong nghiên cứu về pin: tăng cường NMR bằng phương pháp phân cực hạt nhân động.
Sơ đồ thành phần SEI và độ thấm Li-Ion dựa trên hàm lượng gốm từ các nghiên cứu CEST và OE-DNP. Tín dụng: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54315-w
Kỹ thuật này sử dụng spin mạnh của các electron lithium phân cực, phát ra các tín hiệu mạnh làm tăng cường các tín hiệu phát ra từ các hạt nhân nguyên tử trong lớp SEI. Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã có thể tiết lộ thành phần hóa học chính xác của lớp SEI, giúp họ khám phá ra các tương tác xảy ra giữa lithium và các cấu trúc khác nhau trong chất điện phân.
Ví dụ, họ có thể tìm ra liệu một dendrite đã phát triển trong quá trình tương tác của lithium với polymer hay với gốm. Điều này cũng dẫn đến khám phá đáng ngạc nhiên rằng các lớp SEI được tạo ra trên dendrite đôi khi làm cho việc truyền ion trong chất điện phân hiệu quả hơn đồng thời cũng ngăn chặn các chất nguy hiểm.
Những phát hiện của nghiên cứu cung cấp những hiểu biết mới có thể được sử dụng để phát triển pin bền hơn, mạnh hơn và an toàn hơn, có khả năng cung cấp nhiều năng lượng hơn với chi phí kinh tế và môi trường thấp hơn. Những loại pin trong tương lai này sẽ có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị lớn hơn và thông minh hơn mà không cần phải tăng kích thước pin, đồng thời kéo dài tuổi thọ của pin.
"Một trong những điều tôi thích nhất về nghiên cứu này là nếu không có hiểu biết khoa học sâu sắc về vật lý cơ bản, chúng ta sẽ không thể hiểu được điều gì xảy ra bên trong pin. Quy trình của chúng tôi rất điển hình cho công việc tại Viện Weizmann. Chúng tôi bắt đầu với một câu hỏi hoàn toàn khoa học không liên quan gì đến dendrite, và điều này dẫn chúng tôi đến một nghiên cứu với các ứng dụng thực tế có thể cải thiện cuộc sống của mọi người", Leskes nói.
Ngoài ra, tham gia nghiên cứu còn có Tiến sĩ Asya Svirinovsky-Arbeli, Yehuda Buganim và Chen Oppenheim từ Khoa Hóa học phân tử và Khoa học vật liệu của Weizmann.
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
