Nguyên nhân tuổi thọ pin Li-ion giảm dần sau khi sử dụng

Mỗi khi bạn sạc những viên pin lithium-ion, khả năng lưu trữ năng lượng của nó lại giảm từng chút một. Đó là lý do tại sao thiết bị di động của bạn không còn giữ pin được lâu như lúc bạn mới mua về. Nhưng nhờ vào công trình nghiên cứu được thực hiện bởi phòng thí nghiệm Lawrence Berkely, Brookhaven và Đại học Stanford, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã biết được chính xác điều gì đã xảy ra với viên pin và quan trọng hơn, làm cách nào để kéo dài tuổi thọ của nó.

>>> Dùng thành phần trong đồ chơi để cải thiện pin li-ion

Khi những viên pin li-ion được sử dụng (xả pin), những ion Liti (Li+) sẽ chạy từ cực âm sang cực dương sang cực âm thông qua một chất điện phân khô. Quá trình này sẽ cung cấp năng lượng cho thiết bị di động của bạn. Tuy nhiên, chu trình này không được lặp lại một cách hoàn hảo. Mỗi khi các ion Liti di chuyển trong viên pin, chúng sẽ gây ra những biến đổi cấu trúc vật lý tại các điện cực. Đây chính là điểm mấu chốt làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng của viên pin.

Đồng tác giả của công trình nghiên cứu, nhà khoa học vật liệu Huolin Xin, cho biết: "Chúng tôi đã phát hiện ra một hiện tượng đáng ngạc nhiên đã xảy ra ở cả 2 thành phần chính trong viên pin. Trái với các quan sát tổng thể trước đây, khi quan sát dưới kích thước nano, các ion Liti đã gây ra sự xói mòn không đồng đều và tạo nên các lỗ hổng nội tại trên cấu trúc phân tử của vật liệu tại các điện cực. Quá trình này có thể hình dung tương tự như sự gỉ sét trên thép".

Trên thực tế, khi các ion Li+ di chuyển qua cực dương làm bằng Nikel Oxide trong quá trình xả pin, nó sẽ dần phá vỡ cấu trúc ban đầu của vật liệu, từ đó làm giảm khả năng hoạt động của chúng. Houlin giải thích thêm rằng: "Cực dương bằng Nikel Oxide sẽ biến thành kim loại Nickel do sự không đồng đều dưới kích thước nano hoặc khiếm khuyết trên cấu trúc bề mặt. Và ion Li+ chính là tác nhân tạo nên các khe nứt trên bề mặt áo giáp bao bọc cực dương".

Mặt khác, trong quá trình sạc, các ion Liti sẽ di chuyển qua cực âm và hình thành nên một lớp muối cách điện bám trên bề mặt. Chính lớp muối này đã làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng của toàn bộ viên pin. Houlin cũng cho biết thêm rằng qua quan sát dưới kính hiển vi điện tử, quá trình kết tinh muối quanh cực âm sẽ diễn ra càng nhanh khi điện áp đầu vào càng cao. Do đó, nếu điện áp sạc pin càng cao, pin càng suy giảm nhanh chóng.

Mỗi chấm màu cam tượng trưng cho một cột nguyên tử ở cực âm được quan sát dưới kính hiển vi điện tử. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng những ion Li+ có xu hướng di chuyển dọc theo khe giữa lớp nguyên tử. Sau khi quá trình sạc/xả diễn ra, lớp nguyên tử bong ra sẽ bám quanh bề mặt cực âm (đường màu xanh), từ đó làm giảm hiệu suất của pin.​

Biết được chính xác nguyên nhân dẫn đến suy giảm tuổi thọ của pin sạc, các nhà nghiên cứu đã đề xuất những biện pháp nhằm thiết kế những viên pin mạnh mẽ hơn và sống được trong thời gian dài hơn. Houlin cho biết: "Chúng ta hoàn toàn có thể phủ một lớp chất chống kết tinh lên trên bề mặt của cực âm. Đó là một hợp chất dạng bột có kích thước nano được tạo thành từ công nghệ nano tiên tiến. Hiện tại, các chuyên gia tại phòng thí nghiệm Berkely đang thực hiện nghiên cứu chế tạo loại hợp chất này".

Từ khi pin li-ion ra đời, thế giới công nghệ đã nhìn nhận đây là thế hệ pin tiên tiến với nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, những vấn đề còn tồn đọng đã và đang được các nhà nghiên cứu liên tục khám phá và đề xuất biện pháp khắc phục. Nếu loại hợp chất phủ nano được các nhà nghiên cứu phát triển thành công, đây sẽ là cuộc cách mạng trong việc chế tạo ra những thế hệ pin li-on mới với khả năng hoạt động ở hiệu suất cao trong thời gian dài hơn rất nhiều so với trước đây.