Pin kim loại lithium tuổi thọ cao: Bước tiến cho xe điện
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tạo ra một loại pin kim loại lithium chạy được tới 600 chu kỳ, lâu hơn nhiều so với các kết quả được báo cáo khác. Điều đó nghĩa là pin điện này có thể sạc và xả 600 lần trước khi bị chai. Kết quả này đã được công bố trên tạp chí Nature Energy vào ngày 28/6.
Đây là một bước tiến lớn trong ngành công nghệ đầy triển vọng mặc dù vẫn chưa sẵn sàng để có thể thay thế pin lithium-ion. Mặc dù pin lithium-ion ngày nay chứa ít điện hơn, đi được quãng đường hạn chế hơn trong một lần sạc nhưng lại có tuổi thọ lâu hơn, ít nhất là 1000 chu kỳ.
Thay vì làm cực dương sử dụng nhiều lithium hơn, họ tạo ra các dải lithium cực kỳ mỏng (tầm 20 microns), nhỏ hơn nhiều so với chiều dày sợi tóc người. Jie Xiao, đồng tác giả của bài báo nghiên cứu, cho biết: “Nhiều người đã nghĩ rằng lithium dày hơn sẽ giúp pin hoạt động lâu hơn. Nhưng điều đó không phải lúc nào cũng đúng. Có độ dày tối ưu cho mỗi loại pin kim loại lithium tùy thuộc vào năng lượng và thiết kế tế bào của nó.”
Pin kim loại lithium do nhóm nghiên cứu tạo ra có mật độ năng lượng 350Wh/kg. Con số này rất cao nhưng không phải là chưa từng có. Giá trị quan trọng hơn của nghiên cứu mới này nằm ở tuổi thọ của pin chứ không phải năng lượng. Sau 600 chu kỳ, pin vẫn còn giữ được 76% dung lượng ban đầu.
Bốn năm về trước, một pin kim loại lithium thử nghiệm chỉ có thể hoạt động khoảng 50 chu kỳ. Tuy nhiên từ đó đến nay tuổi thọ pin đã không ngừng tăng lên nhanh chóng. Hai năm trước, nhóm PNNL đã tạo ra loại pin có 200 chu kỳ và bây giờ là 600 chu kỳ. Hơn nữa, pin của PNNL có dạng tế bào túi – gần với ứng dụng thực tế hơn là tế bào pin hình xu thường sử dụng trong các dự án nghiên cứu.
Các nhà nghiên cứu đã thử dùng các dải lithium mỏng dựa trên những hiểu biết về động học phân tử của cực dương. Họ phát hiện ra rằng các dải dày hơn góp phần trực tiếp làm hỏng pin do các phản ứng phức tạp xung quanh màng trên cực dương được gọi là liên pha chất điện ly rắn (solid electrolyte interphase – SEI).
SEI là sản phẩm phụ của phản ứng phụ giữa lithium và chất điện phân. Nó hoạt động như một người gác cổng quan trọng, cho phép các phân tử nhất định đi từ cực dương đến chất điện phân và quay trở lại trong khi vẫn giữ các phân tử khác tại vị trí cũ.
Lớp SEI hoạt động hiệu quả sẽ cho phép một số ion lithium nhất định đi qua (khuyến khích các phản ứng có lợi quan trọng) nhưng hạn chế các phản ứng hóa học không mong muốn làm giảm hiệu suất của pin và tăng tốc độ hỏng của pin.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các dải lithium mỏng hơn hoạt động tuyệt vời trong việc tạo ra lớp SEI tốt, trong khi các dải dày hơn nhiều khả năng sẽ góp phần tạo nên lớp SEI có hại.
Trong bài báo của mình, các nhà nghiên cứu sử dụng các thuật ngữ “SEI ướt” và “SEI khô”. Phiên bản ướt tạo tiếp xúc giữa chất điện phân lỏng và cực dương, giúp các phản ứng điện hóa quan trọng có thể xảy ra.
Nhưng trong phiên bản khô, chất điện phân lỏng không tiếp cận được với tất cả lithium. Đơn giản bởi khi các dải lithium dày hơn, chất điện phân cần chảy vào các túi lithium sâu hơn, và như vậy, nó khiến các phần còn lại của lithium bị khô. Điều này ngăn chặn các phản ứng quan trọng xảy ra, giảm hiệu quả của những phản ứng điện hóa cần thiết và góp phần trực tiếp vào việc pin chết sớm.
Đó là một vấn đề quan trọng, đặc biệt đối với các loại pin thực tế như pin túi vốn có lượng chất điện phân ít hơn 20-30 lần so với chất điện phân được sử dụng trong pin đồng xu thử nghiệm.
Giống như chảo rán sẽ dần tích tụ một lớp dầu mỡ nếu không được vệ sinh kỹ càng sau mỗi lần sử dụng, theo thời gian các lớp cặn tích lại, tạo ra rào cản, làm giảm dòng chảy năng lượng và khiến bề mặt kém hiệu quả hơn. Tương tự, một lớp SEI khô không mong muốn sẽ ngăn cản việc truyền năng lượng hiệu quả vào bên trong pin.□
Trang Linh lược dịch
Nguồn: https://www.pnnl.gov/news-media/longer-lived-lithium-metal-battery-marks-step-forward-electric-vehicle
