Bằng cách thay đổi tốc độ nung nóng vật liệu làm điện cực, các nhà khoa học Mỹ đã giải quyết được bài toán chai pin và nứt vỡ mô hình chung của pin Lithium-ion mà không làm phát sinh chi phí sản xuất.
Ảnh minh họa xe điện.
Khắc phục điểm yếu chí mạng của pin Lithium-ion
Một trong những nguyên nhân lớn nhất khiến pin lithium-ion trên xe điện hoặc các thiết bị di động bị sụt giảm hiệu năng theo thời gian là do hiện tượng nứt gãy ở cấp độ hiển vi. Trong quá trình sạc và xả liên tục, các điện cực ca-tốt (cực dương) của pin phải chịu áp lực cơ học và nhiệt độ lớn, dẫn đến việc hình thành các vết rạn nứt li ti. Những tổn thương nội bộ này làm suy giảm khả năng tích trữ năng lượng, khiến pin nhanh chai và giảm tuổi thọ.
Từ trước đến nay, ngành công nghiệp pin toàn cầu luôn coi đây là một nhược điểm cố hữu và thường phải tìm kiếm những phương pháp thay thế cực kỳ tốn kém để khắc phục. Tuy nhiên, một nghiên cứu mang tính đột phá phối hợp giữa Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC, Đại học Stanford và các cựu kỹ sư của Tesla đã tìm ra câu trả lời nằm ở bước đơn giản nhất là kiểm soát nhiệt độ nung.
Công thức "nung chậm - tăng nhanh" đầy hiệu quả
Thay vì thay đổi thành phần hóa học phức tạp hay bổ sung các nguyên liệu đắt đỏ, nhóm nghiên cứu đã cải tiến chính quy trình nung nóng vật liệu oxit xếp lớp giàu niken trong khâu sản xuất điện cực. Công thức mới quy định rằng bắt đầu gia nhiệt thật chậm ở giai đoạn đầu, sau đó tăng tốc độ dòng nhiệt lên cực nhanh khi cấu trúc vật liệu đã đạt trạng thái ổn định.
Nhờ sự hỗ trợ của hệ thống kính hiển vi và phổ hấp thụ tia X tiên tiến, các nhà khoa học phát hiện ra rằng việc nung chậm lúc đầu giúp ngăn vật liệu hình thành cấu trúc rỗng bên trong. Khi nhiệt độ tăng vọt sau đó, hợp chất lithium hydroxide sẽ nóng chảy đồng đều xung quanh các hạt vật liệu, tạo nên một bề mặt ca-tốt nhất quán, đồng nhất. Kết quả thử nghiệm vô cùng kinh ngạc: Các thỏi pin được sản xuất theo phương pháp này giữ được tới 93% dung lượng ban đầu ngay cả khi đã trải qua 500 chu kỳ sạc/xả liên tục, giảm thiểu tối đa các vết nứt vi mô nguy hiểm.
Mỹ đạt bước ngoặt giúp pin Li-ion giữ 93% phong độ sau 500 lần sạc/xả.
Tương lai của ngành lưu trữ năng lượng giá rẻ
Điều làm cho giới công nghệ và các nhà sản xuất phấn khích nhất chính là tính kinh tế của phát minh này. Nó không yêu cầu thay đổi dây chuyền, không cần thêm vật liệu phụ trợ, nghĩa là hiệu năng pin tăng vọt nhưng chi phí sản xuất vẫn giữ nguyên.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu tại Stanford đã lên kế hoạch thử nghiệm áp dụng quy trình gia nhiệt này trên các hệ thống lò nung công nghiệp quy mô lớn, đồng thời kiểm tra tầm ảnh hưởng của nó đối với các phản ứng hóa học của các dòng pin thế hệ mới khác. Công nghệ này hứa hẹn sẽ sớm trở thành "chìa khóa" giúp hạ giá thành xe điện, tối ưu hóa các trung tâm dữ liệu và các hệ thống lưu trữ năng lượng xanh toàn cầu trong tương lai gần.
An An - IE
