Để sản xuất pin mới phù hợp với xe điện, thiết bị di động và lưu trữ năng lượng tái tạo, các nhà nghiên cứu đã khám phá nhiều vật liệu, thiết kế, cấu hình và hóa học mới. Tuy nhiên, một khía cạnh vẫn luôn bị bỏ qua là kết cấu của kim loại được sử dụng.
(Nguồn ảnh: Đại học Chicago)
Giáo sư Shirley Meng, Giám đốc Khoa Kỹ thuật Phân tử Liew Family tại Đại học Chicago, cho biết: “Các kim loại mềm như lithium và natri có hiệu suất vượt trội và có thể được sử dụng làm anode pin, trong đó lithium được coi là vật liệu anode tối ưu cho pin sạc cao năng lượng trong tương lai. Nhưng vẫn còn một khoảng cách trong việc hiểu cách mà định hướng tinh thể (hay còn gọi là kết cấu) ảnh hưởng đến hiệu suất của pin kim loại sạc lại.”
Theo báo cáo từ phương tiện truyền thông nước ngoài, phòng thí nghiệm Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng của giáo sư Meng cùng với đối tác công nghiệp Thermo Fisher Scientific đã vượt qua rào cản này, chứng minh rằng việc cải thiện kết cấu kim loại có thể nâng cao đáng kể hiệu suất.
Phó Giáo sư Minghao Zhang tại Khoa Kỹ thuật Phân tử Liew Family cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát hiện ra rằng việc thêm một lớp silicon mỏng giữa kim loại lithium và bộ dẫn điện giúp hình thành kết cấu mong muốn. Sự thay đổi này đã tăng cường khả năng sạc nhanh của pin thể rắn hoàn toàn sử dụng kim loại lithium lên gần mười lần.”
Điều chỉnh kết cấu
Kết cấu lý tưởng của anode pin là cho phép các nguyên tử di chuyển nhanh trên bề mặt, điều này giúp pin sạc và xả nhanh hơn. Zhang cho biết: “Chúng tôi nhận ra rằng sự khác biệt về năng lượng bề mặt của kim loại mềm thực sự có thể thay đổi cách chúng hình thành kết cấu. Kim loại lithium hoặc natri dựa vào những kết cấu này để có khả năng sạc có lợi, và nhóm nghiên cứu tự hỏi liệu việc điều chỉnh kết cấu của kim loại mềm có thể cải thiện mật độ công suất hay không.”
Nghiên cứu trong lĩnh vực này cần vượt qua những trở ngại khi sử dụng kính hiển vi. Để nghiên cứu loại vật liệu này, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng sự kết hợp giữa phương pháp phay và phân tích tán xạ điện tử phía sau (EBSD) dưới kính hiển vi điện tử quét ion plasma (PFIB-SEM), sử dụng hai công nghệ này theo cách mới để nghiên cứu kết cấu.
Zhao Liu, Giám đốc Phát triển Thị trường Cao cấp của Thermo Fisher Scientific cho biết: “Việc thu thập thông tin về kết cấu của kim loại mềm là rất thách thức, chủ yếu là vì khó tiếp cận các khu vực quan tâm, cũng như độ phản ứng của kim loại lithium và natri. Sự kết hợp PFIB-EBSD rất phù hợp cho nghiên cứu này, vì PFIB có thể tiếp cận hiệu quả khu vực quan tâm trong module pin, từ đó tạo ra bề mặt chất lượng cao với thiệt hại tối thiểu, trong khi EBSD có thể cung cấp thông tin chi tiết về kết cấu trên kim loại mềm.”
Nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Tiên tiến của LG Energy Solution, phòng thí nghiệm này tập trung vào việc thương mại hoá công nghệ này. Nhà nghiên cứu cao cấp của LG Energy, Jeong Beom Lee cho biết: “LG Energy mạnh mẽ tìm kiếm hợp tác nghiên cứu để giữ vững vị thế dẫn đầu trên thị trường pin đang phát triển nhanh chóng. Với nhu cầu về xe điện và lưu trữ năng lượng liên tục gia tăng, chúng tôi nhận thấy rằng việc kết hợp chuyên môn sản xuất của chúng tôi với nghiên cứu đổi mới từ các trường đại học để phát triển công nghệ pin thế hệ tiếp theo là rất quan trọng.”
Thách thức tiếp theo cho các nhà nghiên cứu là giảm áp suất thí nghiệm từ 5MPa xuống còn 1MPa, đây là tiêu chuẩn ngành cho pin thương mại hiện nay. Họ cũng có kế hoạch nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu đối với natri, điều mà Meng đã nghiên cứu từ lâu như một sự thay thế lithium với chi phí thấp và có sẵn.
Zhang cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã hiểu cách hình thành kết cấu trong kim loại mềm, dự đoán rằng kim loại natri có xu hướng có kết cấu thích hợp cho sự khuếch tán nhanh của các nguyên tử. Điều này có nghĩa rằng việc sử dụng natri làm anode cho pin thể rắn hoàn toàn có thể mang lại những đột phá lớn cho lưu trữ năng lượng trong tương lai.”