Bước ngoặt mới về hiệu suất pin sạc

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã cho rằng sự tích tụ lớp màng thường thấy trên các điện cực bên trong pin sạc là nguyên nhân làm giảm hiệu suất pin. Nhưng giờ đây, quan điểm đó đã lạc hậu.

Sự tích tụ cặn kim loại lithium có cấu trúc như cây cối hoặc rêu trên các điện cực của pin không phải là nguyên nhân gốc rễ, mà chỉ là tác động phụ. Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã trực tiếp đo các đặc tính điện ở ranh giới giữa điện cực rắn và chất điện phân lỏng ở trong pin sạc. Họ đã công bố kết quả này trên Nature Energy ¹, “Direct in situ measurements of electrical properties of solid–electrolyte interphase on lithium metal anodes”. 

Nghiên cứu do các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (Bộ Năng lượng Hoa Kỳ) dẫn dắt cho thấy, chất điện phân liên pha rắn (SEI – một lớp được tạo ra trên cực dương của pin lithium trong vài chu kỳ sạc đầu tiên) không phải là một chất cách điện như người ta nghĩ trước đây, mà hoạt động giống như một chất bán dẫn. Nghiên cứu này giải đáp bí ẩn lâu nay về chức năng của SEI trong quá trình hoạt động của pin. 

Những kết quả này có ý nghĩa trực tiếp trong việc thiết kế pin có tuổi thọ dài hơn bằng cách tinh chỉnh các đặc tính vật lý và điện hóa của chất điện phân lỏng, thường được ví như nguồn cung cấp máu cho pin đang hoạt động. 

“Tốc độ dẫn điện cao hơn tạo ra SEI dày hơn với các dạng lithium rắn phức tạp, khiến hiệu suất pin suy giảm”, Chongmin Wang, thành viên Phòng thí nghiệm PNNL và là chuyên gia công nghệ pin, người đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết.

Các nhà nghiên cứu tập trung vào lớp SEI – mỏng hơn một tờ giấy lụa, vì vai trò to lớn của nó đối với hiệu suất pin. Lớp màng khảm này cho phép các ion lithium tích điện đi qua một cách có chọn lọc trong quá trình phóng điện và kiểm soát chuyển động của các electron cung cấp năng lượng cho pin.

Khi pin còn mới, SEI hình thành trong chu kỳ sạc đầu tiên, và lý tưởng nhất là duy trì ổn định trong tuổi thọ dự kiến của pin. Nhưng khi nhìn vào bên trong cục pin sạc cũ, người ta thường thấy sự tích tụ đáng kể lithium rắn trên các điện cực âm. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây là nguyên nhân làm suy giảm hiệu suất pin. Điều này vẫn còn là phỏng đoán, một phần do các nhà nghiên cứu chưa thể thực hiện các phép đo để kiểm tra nguyên nhân và kết quả. 

Wang, cùng với người đồng chủ trì nghiên cứu Wu Xu, một nhà khoa học vật liệu thuộc Nhóm Hệ thống và vật liệu pin của PNNL, đồng tác giả đầu tiên là Yaobin Xu và Hao Jia, cùng các đồng nghiệp tại PNNL, Đại học Texas A&M và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã giải quyết vấn đề bằng cách phát triển một kỹ thuật mới để đo trực tiếp sự dẫn điện qua SEI trong một hệ thống thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kính hiển vi điện tử truyền qua với thao tác ở cấp độ nano của những chiếc kim làm bằng kim loại được chế tạo vi mô bên trong kính hiển vi. Sau đó, họ đo các đặc tính điện của lớp SEI hình thành trên kim loại đồng hoặc lithium bằng bốn chất điện phân khác nhau.

Kết quả cho thấy rằng khi điện áp trong pin tăng lên, trong mọi trường hợp, lớp SEI đều rò rỉ các electron, khiến nó có tính chất bán dẫn.

Sau khi ghi lại hành vi tương tự chất bán dẫn chưa từng được quan sát trực tiếp trước đây, các nhà nghiên cứu muốn hiểu thành phần nào của SEI là nguyên nhân gây ra sự rò rỉ electron.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng các thành phần hữu cơ chứa carbon của lớp SEI dễ bị rò rỉ các electron”, Xu cho biết.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng việc giảm thiểu các thành phần hữu cơ trong SEI sẽ giúp pin có thời gian sử dụng dài hơn. “Ngay cả những thay đổi nhỏ về tốc độ truyền dẫn qua SEI cũng có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu suất và độ ổn định của chu kỳ pin”, Wang cho biết thêm. 

Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ phương tiện (thuộc Văn phòng Hiệu suất năng lượng và năng lượng tái tạo, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ), trong khuôn khổ Chương trình Nghiên cứu vật liệu pin tiên tiến và Hợp tác Mỹ – Đức về lưu trữ năng lượng.

Thanh An tổng hợp

Nguồn: https://www.pnnl.gov/news-media/new-twist-rechargeable-battery-performance

—————————————-

1. https://www.nature.com/articles/s41560-023-01361-1