Hiện nay, các thiết bị như ô tô điện và điện thoại thông minh cần sử dụng rất nhiều pin. Khi công nghệ phát triển nhanh chóng, mọi người mong muốn pin mạnh mẽ và an toàn hơn. Tuy nhiên, mỗi lần sạc, bên trong pin sẽ hình thành các tinh thể cây nhỏ. Khi các tinh thể này tích lũy, chúng sẽ tạo ra cầu kim loại bên trong pin, làm cho việc truyền tải điện tử trở nên không kiểm soát được. Điều này dễ dàng làm hỏng pin và thậm chí có thể gây ra nguy cơ cháy nổ. Đến nay, các công nghệ mà các nhà nghiên cứu có thể sử dụng để mô tả quá trình hình thành tinh thể vẫn còn rất hạn chế.
(Hình ảnh từ: Viện Khoa học Weizmann)
Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, trong một nghiên cứu mới 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 Weizmann, các nhà nghiên cứu do tiến sĩ Ayan Maity dẫn dắt đã phát triển một công nghệ đổi mới, không chỉ có thể nhận diện các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy tinh thể bên trong pin mà còn kiểm tra nhanh hiệu quả và độ an toàn của các thành phần pin thay thế.
Nguyên lý hoạt động của pin sạc là khiến các ion mang điện dương di chuyển qua điện giải từ cực dương sang cực âm. Khi pin được sạc, các ion sẽ quay trở lại cực dương, điều này cho phép pin được tái sử dụng. Sự đổi mới của pin lithium kim loại nằm ở chỗ cực dương của chúng được làm bằng lithium nguyên chất, cho phép chứa nhiều năng lượng. Vấn đề nằm ở hoạt tính hóa học rất cao của lithium kim loại, có thể tương tác với nhiều chất khác nhau nó gặp phải. Khi lithium tương tác với điện giải, sẽ nhanh chóng tạo ra một lượng lớn tinh thể cây, ảnh hưởng đến hiệu suất pin.
Bằng cách sử dụng vật liệu rắn không dễ cháy để thay thế điện giải lỏng dễ cháy trong pin, chẳng hạn như composite từ hạt polymer và gốm, có thể tránh được nguy cơ cháy nổ. Sự cân bằng giữa hai thành phần này có thể ảnh hưởng rõ rệt đến sự hình thành tinh thể, nhưng thách thức lớn vẫn là tìm ra thành phần lý tưởng để gia tăng tuổi thọ của pin.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đã được công nhận để giải quyết vấn đề này, nhằm theo dõi quá trình phát triển tinh thể và nhận diện các tương tác hóa học trong điện giải. Leskes cho biết: “Khi kiểm tra các tinh thể trong các pin có tỷ lệ polymer và gốm khác nhau, chúng tôi đã phát hiện ra một ‘tỷ lệ vàng’, trong đó điện giải có 40% gốm có tuổi thọ lâu nhất. Khi tỷ lệ gốm vượt quá 40%, các vấn đề về cấu trúc và chức năng sẽ cản trở hiệu suất pin, trong khi thấp hơn 40% sẽ dẫn đến tuổi thọ pin giảm. Điều đáng ngạc nhiên là, trong các pin hoạt động tốt nhất, số lượng tinh thể cây tăng lên nhưng sự phát triển của chúng bị hạn chế, và số cầu nguy hiểm được hình thành ít hơn.”
Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng điều cản trở sự phát triển của tinh thể là một lớp mỏng trên bề mặt của chúng, gọi là lớp giao diện điện giải rắn (SEI). Khi tinh thể phản ứng với điện giải, lớp SEI hình thành, trong đó bao gồm nhiều chất có ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến pin. Ví dụ, thành phần hóa học của lớp SEI có thể cản trở hoặc thúc đẩy sự di chuyển của ion lithium trong pin, và ngăn chặn hoặc thúc đẩy chất có hại di chuyển từ cực dương sang cực âm, từ đó cản trở hoặc thúc đẩy sự phát triển của tinh thể.
Để mô tả lớp SEI, các nhà nghiên cứu cần “ra ngoài tư duy về pin”. Những lớp này chỉ được tạo thành từ vài chục nanomet nguyên tử, do đó tín hiệu thu được từ NMR là rất yếu. Để tăng cường tín hiệu, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một công nghệ ít được sử dụng trong nghiên cứu pin – tăng cường NMR qua cực hóa hạt nhân động (dynamic nuclear polarization).
Công nghệ này sử dụng spin tự nhiên mạnh mẽ của electron lithium, cho phép phát ra tín hiệu mạnh, từ đó tăng cường tín hiệu do hạt nhân trong lớp SEI phát ra. Bằng công nghệ này, các nhà nghiên cứu có thể tiết lộ thành phần hóa học chính xác của lớp SEI, giúp làm sáng tỏ các tương tác xảy ra giữa lithium và các cấu trúc khác nhau trong điện giải. Ví dụ, điều này có thể xác định xem có xảy ra sự hình thành tinh thể trong quá trình tương tác giữa lithium với polymer hoặc gốm hay không. Đáng ngạc nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng lớp SEI hình thành trên tinh thể đôi khi có thể làm cho việc truyền tải ion trong điện giải hiệu quả hơn, đồng thời ngăn chặn các chất nguy hiểm.
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn mới, có thể được sử dụng để phát triển pin mạnh mẽ hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn, có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn với chi phí môi trường và kinh tế thấp hơn. Trong tương lai, những viên pin này có triển vọng cung cấp năng lượng cho các thiết bị lớn và thông minh hơn mà không cần tăng kích thước pin, đồng thời kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Ngoài ra, độ dày của lớp SEI trong pin chỉ từ 5 đến 50 nanomet (khoảng 1/1000 độ dày của tóc người), nhưng trong đó vẫn chứa cấu trúc hóa học phức tạp. Việc hiểu thành phần hóa học của lớp SEI thông qua phương pháp quang phổ NMR có thể mất nhiều năm, nhưng với sự hỗ trợ của cực hóa hạt nhân động, nhiệm vụ này có thể hoàn thành trong vài giờ.
