Pin thể rắn thay thế pin Li-ion có được bước tiến quan trọng để ứng dụng vào smartphone

Pin Lithium-ion là lựa chọn hàng đầu cho mọi smartphone hiện đại, mọi thiết bị sử dụng pin sạc trong thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, pin Li-ion đầy những nhược điểm khiến một cục pin kém hiệu quả: lượng năng lượng trong pin không đặc biệt nhiều, vòng đời chúng khá ngắn và nếu sạc không đúng cách, pin có thể biến thành một quả bom.

Ta đang nghiên cứu bước tiến hóa tiếp theo của pin sạc, và đó rất có thể là pin thể rắn - solid state battery. Nếu nó thành công, có lẽ ta sẽ gọi tắt loại pin này là SSB, giống như cách ta gọi những ổ đĩa SSD của thời điểm hiện tại.

Nghiên cứu mới về SSB tới từ Đại học Kỹ nghệ Columbia mới tìm ra cách ổn định được chất điện phân rắn khi đặt nó trong kim loại lithium, hay chính nó là pin thể rắn đó. Bằng việc tận dụng phủ một lớp boron nitride (kí hiệu: BN) mỏng ở mức nano lên thiết bị, các nhà nghiên cứu có thể tăng dung lượng pin SSB lên 10 lần so với pin Li-ion. Bên cạnh đó, chất điện phân sứ sử dụng trong thiết kế pin SSB không có khả năng bắt lửa, an toàn hơn nhiều so với “quả bom nổ chậm” Li-ion.

Pin thể rắn không phải phát minh mới, nhưng vật liệu làm pin, thiết kế sao cho an toàn, chi phí và kỹ thuật làm pin vẫn ngăn SSB trở nên đại trà. Phải hiểu sâu chút về người tiền nhiệm của SSB, là pin Lithium-ion để biết tại sao khó thay thế công nghệ này thế.

Những “sợi lithium” gây khó khăn cho cục pin

Bên cạnh giá thành sản xuất, dendrite là một trong những vấn đề nan giải xuất hiện bên trong cục pin. Cho bạn đọc chưa rõ: dendrite là những sợi lithium “mọc” bên trong cục pin, khiến pin mất năng lượng nhanh và trong một số trường hợp, dendrite có thể gây cháy nổ. Nó bắt đầu xuất hiện từ cực dương rồi lan ra toàn bộ cục pin, khi sạc và xả pin liên tục trong thời gian dài; ion trong chất điện phân kết hợp với electron để tạo thành một lớp kim loại lithium rắn,

Dendrite làm giảm khả năng tích điện. Khi chúng lan ra quá rộng, dendrite có thể xuyên phá vách ngăn giữa hai cực dương và âm, gây đoản mạch và cháy nổ.

Dendrite len lỏi bên trong pin.

Pin Li-ion hiện đại tránh vấn đề với dendrite bằng cách sử dụng chất điện phân lỏng để dẫn điện, thay vì kim loại rắn - thứ khiến ion bị ép chặt lại với nhau để có được dung lượng pin lớn hơn. Tuy nhiên, thứ chất lỏng mới lại dễ cháy, khiến pin Li-ion có thể bùng cháy khi gặp áp lực lớn hoặc nhiệt.

Các nhà sản xuất thường sử dụng than chì (graphite) xen vào giữa lithium ở cực dương, vừa giữ được tính ổn định của pin lại vừa tăng được số vòng sạc. Những vật liệu tương lai như graphene hay những hợp kim gốc silicon cũng đã góp phần tăng hiệu năng pin trong các thử nghiệm liên quan.

Dendrite - những sợi lithium tích tụ đâm thủng vách ngăn pin.

Kết hợp những yếu tố tốt nhất lại, ta sẽ có một cục pin Li-ion tốt vừa đủ, hạn chế việc hình thành dendrite bằng cách giảm và kiểm soát dòng chảy của ion. Có điều, khi làm vậy, pin sẽ giảm dung lượng và với chất điện phân lỏng, tỷ lệ gây cháy nổ cao hơn sẽ yêu cầu những biện pháp đảm bảo an toàn khác.

Đó là lý do ta cần một thiết bị lưu trữ điện sạc được khác, thế nên người ta gọi pin lithium thể rắn là mục tiêu tối thượng của ngành nghiên cứu và sản xuất pin sạc. Thế nhưng, công nghệ hiện đại chưa cho phép ta ổn định được SSB dễ dàng như với pin Lithium-ion hiện tại.

Nghiên cứu mới giải quyết chính vấn đề đó

Nghiên cứu tới từ đội ngũ thuộc Đại học Kỹ nghệ Columbia, liên kết với Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven và Đại học Thành phố New York, cho ta một cách giải quyết dendrite trong pin thể rắn.

Họ sử dụng một lớp boron nitride (BN) mỏng cỡ nano - chỉ 5 tới 10 nanomet - để phân cách phần kim loại lithium và chất dẫn ion. Tách biệt được hai phần đó sẽ ngăn được việc dendrite hình thành, ngăn việc đoản mạch và nó đủ mỏng để tối ưu hóa được khả năng lưu trữ điện.

Công nghệ này sử dụng một lượng nhỏ dung dịch điện phân, thiết kế dựa nhiều vào vật liệu sứ để tối đa hóa lượng điện có được. Lớp boron nitride được thiết kế đặc biệt để ion của lithium thoải mái chui qua, để sạc và xả điện an toàn.

“Chúng tôi đã phát triển được bộ áo giáp để bảo vệ chất điện phân rắn bất ổn, và với tiến bộ này, chúng tôi đạt được sản phẩm pin lithium có vòng đời rất dài”, Quian Cheng, nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia khẳng định.

Về cơ bản, các nhà nghiên cứu tạo ra một lớp ngăn rất mỏng, ngừa việc dendrite hình thành trong pin. Đây chính là lúc chất điện phân gốm vào cuộc: cho phép dung lượng pin SSB lớn hơn pin li-ion, giảm thiểu rủi ro cháy nổ, tăng vòng đời của pin. Bước nghiên cứu tiếp theo là tìm thêm những chất điện phân rắn khác hiệu quả hơn, tối ưu hóa pin thể rắn tới mức tối đa.

Loại pin này sẽ sớm được sản xuất đại trà và dần dần loại bỏ pin Lithium-ion.

So sánh công nghệ pin “lỏng” và “rắn”

Đội ngũ thuộc Đại học Columbia không phải là nhóm duy nhất nung nấu tham vọng về một hệ thống pin thể rắn hiệu quả. Nhiều công nghệ pin khác đang được thử nghiệm, đều nhằm tới mục tiêu thay thế pin Li-ion hiện tại bằng một thứ pin dẻo dai hơn, sạc - xả được nhiều lần và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.

Bước xa hơn nữa, sẽ là sản xuất đại trà loại pin mới, dần dần loại bỏ pin Lithium-ion có nhiều bất cập.

Còn với khách hàng chúng ta, những lợi ích rõ ràng của pin thể rắn chỉ gói gọn lại thế này: sạc nhanh hơn gấp 6 lần, vòng đời (sạc và xả) lên tới 10 năm với lượng năng lượng lưu trữ nhiều hơn tới 2-10 lần, không có thành phần dễ cháy. Dường như pin thể rắn quá ư hoàn hảo để thành sự thực; bạn nên tin dần đi, bởi đây chính tương lai của ngành lưu trữ năng lượng.

• Vừa sạch vừa rẻ: Pin lithium-ion chính là "mối đe dọa" của than đá, dầu mỏ...