Chất điện phân mới giúp loại bỏ hiện tượng đoản mạch pin Li-ion

Mới đây các nhà khoa học Mỹ đã công bố họ đã tạo ra một chất điện phân mới cho pin Lithium hứa hẹn tăng hiệu suất sử dụng pin và cải thiện dung lượng.

• Chế tạo pin li-ion có thời lượng cao gấp 3 lần hiện tại
  

Chất điện phân mới cho pin Lithium

Hình ảnh hiển vi cho thấy các sợi dendrite mọc dài trong pin Li-ion.​

Theo các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia tây bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc bộ năng lượng Hoa Kỳ chất điện phân này có khả năng loại bỏ hoàn toàn sợi dendrite - là một loại sợi dẫn điện mỏng thường hình thành bên trong pin Lithium khiến cell pin giảm tuổi thọ và là tác nhân gây cháy nổ.

Hình ảnh hiển vi cho thấy chất điện phân thông thường tạo điều kiện cho sợi dendrite phát triển (hình a) trong khi chất điện phân của PNNL khiến Lithium hình thành dạng nốt nhỏ, không gây đoản mạch (hình b).​

Rất nhiều loại pin sạc sử dụng trên các thiết bị di động hiện nay dùng công nghệ Li-ion - gồm 2 điện cực, 1 cực dương bằng Lithium, 1 cực âm bằng graphite (than chì) và dùng chất điện phân hóa học. Về cơ bản, chất điện phân chứa các electron mang điện và đóng vai trò trung gian truyền tải dòng điện giữa các điện cực khi pin được nối vào một mạch điện. Khi xả pin, Lithium rời khỏi bề mặt cực dương và bám vào cực âm, ngược lại khi sạc pin, Lithium kết tụ trở lại trên cực dương. Qua thời gian sạc/xả, bề mặt cực dương hình thành các sợi dendrite và các sợi này sẽ mọc dài hơn khi Lithium liên tục lắng đọng.

Các sợi dendrite phá vỡ đường dẫn điện tích thông thường và tạo ra các đường dẫn lộn xộn xuyên suốt cấu trúc pin. Một khi sợi dendrite mọc đủ dài, xuyên qua lớp điện phân và kết nối trực tiếp cực âm với cực dương thì pin sẽ bị đoản mạch.

Kết quả là pin tự xả không thể kiểm soát làm giảm tuổi thọ pin. Ngoài ra, sợi dendrite còn khiến pin nóng lên, gây phản ứng tỏa nhiệt và phát nổ dù đang để ở ngoài hay bên trong thiết bị di động.

Sợi dendrite mọc rất nhanh từ cực dương và chạm đến cực âm.​

Để ngăn ngừa sự hình thành của sợi dendrite, một số nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một số giải pháp như bổ sung một lớp phủ chứa các quả cầu carbon cho cực dương của pin hoặc điều chỉnh công thức chất điện phân với một số phụ gia hay thậm chí là cho thêm sợi nano Kevlar vào hỗn hợp này. Tuy nhiên, sợi dendrite thì vẫn cứ mọc mà không có dấu hiệu bị hạn chế.

Chất điện phân mới được PNNL phát triển nhắm đến mục tiêu thay thế hoàn toàn chất điện phân đang được sử dụng trên pin Li-ion bởi nó không tạo điều kiện cho sợi dendrite hình thành. Thêm vào đó, nó cũng tăng dung lượng và hiệu năng của pin.

Tiến sĩ Ji-Guang "Jason" Zhang đến từ PNNL cho biết: "Chất điện phân mới của chúng tôi giúp tăng 99% hiệu suất của pin Li-ion và nâng mật độ dòng điện lên 10 lần so với công nghệ trước. Phát hiện mới của chúng tôi có thể khởi động quá trình phát triển các thế hệ pin sạc tiếp theo hữu dụng và mạnh mẽ hơn chẳng hạn như pin Lithium-lưu huỳnh (Li-sulfur), pin Lithium-khí và Lithium-kim loại."

Dựa trên một nghiên cứu cho thấy các chất điện phân chứa nồng độ muối cao có thể cản trở sự thình thành của sợi dendrite, tiến sĩ Zhang cùng các cộng sự đã sử dụng một lượng lớn muối Lithium bis(fluorosulfony)imide, một hợp chất silicon hữu cơ và dung môi dimethoxyethaein để tạo ra chất điện phân.

Để thử nghiệm hỗn hợp mới, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cell pin hình tròn có đường kính dưới 25 mm. Khi cell được sạc, thay vì các sợi dendrite xuất hiện và mọc dài ra, điện cực Lithium lại sản sinh một tấm mỏng có các nốt Lithium nhỏ trên bề mặt và chúng không tác động được đến chất điện phân gây đoản mạch pin.

Nhóm sau đó tiếp tục thí nghiệm cell pin với hơn 1000 chu kỳ sạc/xả và cho biết cell vẫn duy trì được 98,4% điện tích ban đầu và mật độ dòng điện khoảng 4 mA/cm2. Khi thay đổi mật độ dòng điện, hiệu suất của pin cũng bị tác động. Theo đó nếu duy trì mật độ 10 mA/cm2 thì hiệu suất của pin đạt xấp xỉ 97% trong khi nếu giữ mật độ 0,2 mA/cm2 thì hiệu suất tích điện của pin có thể đạt đến 99,1%.

Theo các nhà nghiên cứu, đây là những con số rất ấn tượng bởi phần lớn pin Li-ion thông thường với các cực bằng Lithium hoạt động ở mật độ dòng điện khoảng dưới 1 mAh/cm2 và thường hỏng sau chưa đầy 300 chu kỳ sạc/xả.

Ngoài việc tăng hiệu suất, chất điện phân mới cũng được cho là có thể mở đường cho một thiết kế mới trong công nghệ pin - được gọi là cell pin không có cực dương. Nói cách khác, bản thân chất điện phân có thể đóng vai trò của một điện cực. Thiết kế thực tế của loại cell này chắc chắn sẽ cần được tinh chỉnh nhưng với một chất điện phân hoạt động với trên 99% hiệu suất thì các nhà nghiên cứu đang đứng trước một cơ hội để tạo ra một loại pin chỉ có thành phần tích lũy dòng điện tích trái dấu mà không cần đến một vật liệu phản ứng phủ trên cực dương. Việc loại bỏ cực dương cũng giúp giảm chi phí, kích thước và cải thiện độ an toàn của pin sạc.

Dĩ nhiên chất điện phân mới của PNNL vẫn cần trải qua nhiều thử nghiệm và hiệu chỉnh trước khi được thương mại hóa. Zhang cùng các cộng sự đang tiếp tục mở rộng nghiên cứu với nhiều phụ gia khác để cải tiến chất điện phân nhằm đạt được hiệu suất 99,9% - điều kiện tiên quyết để sản xuất thương mại và phát hành trên thị trường.