Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge - ORNL (Tennessee, Mỹ)đã phát triển một chất điện phân rắn để thay thế các chất dễ cháy sử dụng trong pin lithium-ion.
Tại sao vấn đề này quan trọng?
Pin với các tính năng an toàn hơn, rẻ hơn luôn cần thiết để giúp chế tạo các xe ô tô điện dễ cạnh tranh hơn với các loại ô tô khác.
Chất điện phân được phát triển tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge có thể cho phép pin lithium lưu trữ năng lượng nhiều hơn 5 đến 10 lần và an toàn hơn so với những pin gần đây gây cháy cho chiếc máy bay Boeing 787 Dreamliner.
Trong khi nguyên nhân của ngọn lửa trên máy bay Boeing vẫn chưa được xác định, Boeing có thể làm giảm nguy cơ cháy bằng cách chọn một điện cực hóa học an toàn hơn. Nhưng sẽ có ít lựa chọn hơn cho các vật liệu điện phân chỉ cho phép dòng điện chạy qua một pin. Pin Lithium-ion, ngay cả những loại sử dụng điện cực tương đối an toàn, vẫn còn sử dụng chất điện phân lỏng dễ cháy.
Ảnh chụp bằng kính hiển vi này cho thấy một vật liệu bột
có cấu trúc nano (bên phải) cải thiện độ dẫn điện của pin.
Chất điện phân rắn sẽ an toàn hơn, nhưng rất khó để làm cho chúng có đủ độ dẫn điện để có thể được sử dụng trong pin. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu ORNL, trong một nghiên cứu mới được công bố gần đây trên tạp chí Hiệp hội Hóa học Mỹ, đã phát triển một phương pháp khá dễ dàng để tạo cấu trúc nano của các chất điện phân rắn. Cấu trúc nano cải thiện độ dẫn của vật liệu lên 1.000 lần, đủ để làm cho nó trở nên hữu ích trong việc chế tạo pin lithium-ion. Các nhà nghiên cứu cũng cho thấy vật liệu mới tương thích với các điện cực năng lượng cao.
Chất điện phân rắn không có tính dẫn điện cao như điện phân lỏng, nhưng các nhà nghiên cứu nói rằng họ có thể khắc phục điều này bằng nhiều cách, trong đó có giải pháp là làm cho chất điện phân rất mỏng. Tuy rằng dù đã làm theo cách này thì pin vẫn không thể sạc nhanh hoặc cấp năng lượng một cách nhanh chóng với chất điện phân lỏng, nhưng như vậy đã đáp ứng được yêu cầu trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong xe điện, nơi số lượng lớn các thỏi pin cho phép dễ dàng cung cấp đầy đủ khi cần gia tăng đột ngột dòng điện.
Chất điện phân rắn không chỉ làm cho pin an toàn hơn, nó cũng có thể cho phép sử dụng các vật liệu điện cực có năng lượng cao hơn. Kết quả là, dù tốc độ cấp năng lượng có thể ít hơn so với pin lithium-ion hiện nay, tổng năng lượng mà chúng có thể lưu trữ sẽ cao hơn nhiều. Người ta chỉ cần dùng một chiếc pin nhỏ hơn nhiều - qua đó giúp tiết kiệm không gian và trọng lượng trên máy bay và giảm đáng kể chi phí của ô tô điện.
Chất điện phân rắn có thể đặc biệt phù hợp với pin lithium lưu huỳnh - đây là loại pin có thể lưu trữ rất nhiều năng lượng nhưng có vấn đề về độ an toàn và không thể sạc được nhiều lần theo suốt tuổi đời một chiếc xe hơi. Các điện cực lithium-kim loại có thể khiến pin bị đoản mạch và cháy. Chất điện phân rắn giúp ổn định kim loại lithium và phục vụ như một rào cản để ngăn đoản mạch. Các điện cực lưu huỳnh trong các pin này cũng bị thoái hóa khi được sử dụng với chất điện phân lỏng - một số lưu huỳnh có thể hòa tan trong chất lỏng và mất đi. Chất điện phân rắn ngăn chặn điều đó.
Công việc vẫn còn ở giai đoạn đầu. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ thực hiện được các pin thử nghiệm có kích thước nhỏ cỡ nửa-inch, và kết quả việc chứng minh khả năng tương thích với các pin lithium-sulfur vẫn chưa được công bố.