Để chế tạo pin mới phù hợp cho xe điện, thiết bị di động và lưu trữ năng lượng tái tạo, các nhà nghiên cứu đã khám phá các vật liệu, thiết kế, cấu hình và hóa học mới. Tuy nhiên, một khía cạnh vẫn bị bỏ qua đó là kết cấu kim loại được sử dụng.
(Nguồn ảnh: Đại học Chicago)
Giáo sư Shirley Meng, một giáo sư kỹ thuật phân tử tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker của Đại học Chicago, cho biết: “Các kim loại mềm như lithium và natri có hiệu suất tốt, có thể được sử dụng làm anode (cực âm) của pin, trong đó lithium được coi là vật liệu anode tối ưu cho pin sạc cao năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên, vẫn còn khoảng cách trong việc hiểu biết về cách mà định hướng hạt (còn gọi là kết cấu) ảnh hưởng đến hiệu suất của pin kim loại sạc lại.”
Theo các nguồn tin của phương tiện truyền thông, phòng thí nghiệm Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng của giáo sư Meng và đối tác ngành Thermo Fisher Scientific đã vượt qua được rào cản này, chứng minh rằng cải thiện kết cấu kim loại có thể nâng cao hiệu suất đáng kể.
Phó giáo sư Minghao Zhang tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát hiện ra rằng việc thêm một lớp silicon mỏng giữa kim loại lithium và bộ dẫn điện giúp hình thành kết cấu mong muốn. Sự thay đổi này đã nâng cao khả năng tỷ lệ của pin trạng thái rắn sử dụng kim loại lithium gần gấp mười lần.”
Điều chỉnh kết cấu
Kết cấu lý tưởng của cực âm pin là cho phép các nguyên tử di chuyển nhanh trên bề mặt, từ đó giúp pin sạc và xả nhanh hơn. Zhang nhận định: “Chúng tôi nhận ra rằng sự khác biệt về năng lượng bề mặt của các kim loại mềm thực sự có thể thay đổi cách mà chúng được kết cấu. Kim loại lithium hoặc natri phụ thuộc vào các kết cấu này để có được khả năng tỷ lệ thuận lợi, và nhóm nghiên cứu đã tự hỏi liệu điều chỉnh kết cấu của kim loại mềm có thể nâng cao mật độ công suất hay không.”
Nghiên cứu trong lĩnh vực này cần vượt qua rào cản của việc sử dụng kính hiển vi. Để nghiên cứu vật liệu này, nhóm nghiên cứu sẽ kết hợp việc phay và bản đồ tán xạ điện tử ngược (EBSD) dưới kính hiển vi điện tử quét plasma (PFIB-SEM), sử dụng hai công nghệ này để nghiên cứu kết cấu theo cách mới.
Ông Zhao Liu, Giám đốc phát triển thị trường cao cấp của Thermo Fisher Scientific cho biết: “Việc thu thập thông tin về kết cấu của kim loại mềm là một thách thức, chủ yếu do khó tiếp cận các khu vực quan tâm và sự phản ứng của kim loại lithium và natri. Sự kết hợp PFIB-EBSD rất phù hợp cho nghiên cứu này bởi vì PFIB có thể tiếp cận hiệu quả các khu vực quan tâm trong cụm pin, tạo ra bề mặt chất lượng cao với thiệt hại tối thiểu, trong khi EBSD cung cấp thông tin chi tiết về kết cấu trên kim loại mềm.”
Nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Tiên phong của LG Energy Solution, nơi tập trung vào việc thương mại hóa công nghệ này. Nhà nghiên cứu cao cấp Jeong Beom Lee của LG Energy Solution cho biết: “LG Energy Solution đang tích cực tìm kiếm hợp tác nghiên cứu để giữ vị thế tiên phong trong thị trường pin đang phát triển nhanh chóng. Khi nhu cầu về xe điện và lưu trữ năng lượng tiếp tục tăng, chúng tôi nhận ra rằng kết hợp chuyên môn sản xuất của chúng tôi với nghiên cứu đổi mới của các trường đại học để phát triển công nghệ pin thế hệ tiếp theo là vô cùng quan trọng.”
Thách thức tiếp theo của các nhà nghiên cứu là giảm áp suất thử nghiệm từ 5MPa xuống còn 1MPa, tiêu chuẩn hiện tại trong ngành pin thương mại. Họ cũng có kế hoạch nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu đối với natri, vì lâu nay Meng đã nghiên cứu khả năng thay thế natri với chi phí thấp và dễ dàng tiếp cận cho lithium.
Zhang cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã hiểu cách hình thành kết cấu trong kim loại mềm, dự đoán rằng kim loại natri có xu hướng có kết cấu phù hợp cho sự khuếch tán nguyên tử nhanh chóng. Điều này có nghĩa là việc sử dụng natri làm cực âm trong pin trạng thái rắn có thể mang lại những đột phá quan trọng cho việc lưu trữ năng lượng trong tương lai.”
