Một nghiên cứu mới vừa công bố trên tạp chí Joule đã mở ra hướng đi đột phá trong công nghệ lưu trữ năng lượng khi các nhà khoa học tìm ra cách cải thiện hiệu suất pin nhờ điều chỉnh kết cấu kim loại. Phát hiện này có thể góp phần nâng cao khả năng sạc nhanh và dung lượng lưu trữ của pin dành cho xe điện, thiết bị di động và hệ thống năng lượng tái tạo.

Tận dụng kết cấu kim loại để tối ưu hóa pin

Trước đây, việc nghiên cứu pin thường tập trung vào vật liệu mới, thiết kế và hóa học điện cực, nhưng kết cấu kim loại – yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất – lại ít được chú ý.

"Các kim loại mềm như lithium và natri có các đặc tính tuyệt vời để trở thành điện cực âm của pin, với lithium được coi là vật liệu anot tối ưu cho pin sạc năng lượng cao trong tương lai", Giáo sư Shirley Meng, thuộc Đại học Chicago, nhận định. "Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu về cách kết cấu – tức hướng sắp xếp của các hạt kim loại – ảnh hưởng đến hiệu suất của pin sạc lại".

Giáo sư Shirley Meng bên sản phẩm pin mới của nhóm (Ảnh: techxplore)

Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng của Giáo sư Meng, hợp tác với công ty Thermo Fisher Scientific, đã chứng minh rằng việc cải thiện kết cấu kim loại có thể làm tăng đáng kể hiệu suất pin.

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng, chỉ cần bổ sung một lớp silicon mỏng giữa lithium và bộ thu dòng điện có thể kiểm soát kết cấu kim loại, giúp pin sạc nhanh hơn và có tuổi thọ cao hơn.

"Sự thay đổi này đã cải thiện khả năng hoạt động tối đa của pin gần 10 lần trong tất cả các loại pin thể rắn sử dụng kim loại lithium”, tiến sĩ Minghao Zhang, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Lợi ích của việc điều chỉnh kết cấu kim loại

Kết cấu lý tưởng cho cực dương của pin là khi các nguyên tử có thể di chuyển nhanh dọc theo mặt phẳng bề mặt giúp tối ưu hóa tốc độ sạc và xả.

“Chúng tôi nhận thấy rằng sự khác biệt của năng lượng bề mặt vật liệu kim loại có thể thực sự thay đổi cách nó được kết cấu. Vì pin có lithium và natri dựa vào kết cấu để cho ra khả năng tốc độ tối đa, nhóm đã tự hỏi liệu việc thay đổi kết cấu của những vật liệu kim loại mềm này có thể cải thiện mật độ năng lượng hay không”.

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp kính hiển vi chùm ion tập trung plasma (PFIB-SEM) kết hợp với lập bản đồ nhiễu xạ ngược electron (EBSD) giúp quan sát kết cấu kim loại theo cách chưa từng có trước đây.

"Sự kết hợp của hai kỹ thuật này giúp chúng tôi vượt qua thách thức trong việc nghiên cứu kết cấu của kim loại mềm như lithium và natri, vốn rất nhạy cảm với môi trường", ông Zhao Liu, đại diện Thermo Fisher Scientific, chia sẻ.

Hướng tới ứng dụng thực tiễn

Nhóm nghiên cứu hiện đang hợp tác với Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Tiên phong của LG Energy Solution để đưa công nghệ này vào thực tiễn.

"Khi nhu cầu về xe điện và lưu trữ năng lượng ngày càng tăng cao, chúng tôi nhận thấy tầm quan trọng của việc kết hợp chuyên môn sản xuất của mình với nghiên cứu đổi mới từ các trường đại học để phát triển các công nghệ pin thế hệ tiếp theo", ông Jeong Beom Lee, nghiên cứu viên cấp cao của LG Energy Solution cho biết.

Bước tiếp theo, các nhà khoa học sẽ tối ưu hóa quy trình nhằm giảm áp suất thử nghiệm từ 5 MPa xuống mức 1 MPa – tiêu chuẩn trong ngành sản xuất pin thương mại. Ngoài ra, họ cũng sẽ nghiên cứu tác động của kết cấu đối với natri, một lựa chọn thay thế rẻ hơn và sẵn có hơn so với lithium.

"Nếu chúng tôi có thể điều chỉnh kết cấu của natri theo cách tương tự, nó có thể trở thành một bước đột phá lớn trong công nghệ lưu trữ năng lượng", Zhang nhận định.

Với phát hiện này, giới khoa học kỳ vọng sẽ mở ra một chương mới trong cuộc đua phát triển pin hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của thị trường năng lượng sạch.