Pin Lithium-Silicon thể rắn là gì?

Trước khi đi vào tìm hiểu Pin Lithium-Silicon thể rắn, chúng ta cùng xem xét khái niệm về Pin Lithium thể rắn và ứng dụng của chúng trong cuộc sống

Pin Lithium thể rắn là gì?

Pin Lithium thể rắn là loại pin có 2 thành phần “điện cực” và “chất điện phân” đều ở trạng thái rắn. Đây là công nghệ mới và đang được các nước như Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản tập trung nghiên cứu và phát triển. Công nghệ pin thể rắn hứa hẹn sẽ có thể đánh bật pin lithium-ion khỏi vị trí thống trị như hiện tại và chiếm lĩnh ngôi vị đầu bảng. 

Sự khác nhau về “môi trường” chất điện li giữa pin thường và pin thể rắn (Nguồn: autotimes.vn)

Đây là công nghệ pin hoàn toàn mới, có xu hướng phát triển nhanh chóng trong tương lai. Pin thể rắn được ứng dụng trên rất nhiều lĩnh vực như tàu thuyền, ô tô, xe máy, tàu thuyền, máy bay,... kể cả các phương tiện thuộc lĩnh vực quân sự.

Hiện nay, có rất nhiều loại pin thể rắn khác nhau. Tùy vào việc sử dụng các vật liệu như thế nào để làm cực dương, cực âm và chất điện phân rắn hữu cơ hay vô cơ,... Các thành phần như Oxit, Phốt-phát, sulfur, polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane,... là những chất đang được nghiên cứu và lựa chọn để sử dụng trong tương lai.

Pin Lithium-Silicon thể rắn

Quay lại với pin Lithium-Silicon thể rắn. Đã từ lâu, người ta biết rằng Silicon là vật liệu cực dương có mật độ năng lượng cao hơn 10 lần so với các cực dương bằng than chì phổ dụng trong ắc quy hiện nay.

Tuy nhiên, các cực dương silicon có xu hướng giãn nở và suy giảm hiệu suất nhanh chóng trong quá trình sạc và phóng điện, đặc biệt là với các chất điện phân lỏng hiện đang được sử dụng trong pin lithium-ion. Đây chính là rào cản để thương mại hóa mẫu pin sử dụng cực dương silicon.

Trong khi đó, các pin thể rắn (ắc quy khô) sử dụng chất rắn thay cho chất điện phân lỏng thì cực dương lithium kim loại đòi hỏi phải được giữ ở nhiệt độ cao (khoảng 60 độ C) trong quá trình sạc. Như vậy, trong thời tiết lạnh nó phải được sưởi ấm, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng.

Pin thể rắn có cực dương silicon sẽ là giải pháp “một mũi tên trúng 2 đích”. Trong bài viết được đăng trong tháng 9/2021 trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu kỹ thuật nano đến từ đại học tổng hợp California San Diego (UC San Diego) đã công bố thử nghiệm thành công mẫu pin mới này.

Như hình minh họa ta có thể thấy quy trình 4 bước diễn ra như sau:

• 1. Tất cả pin ở trạng thái rắn bao gồm một lớp hỗn hợp catốt, một lớp điện phân rắn sunfua và một cực dương vi silicon không chứa cacbon.
• 2. Trước khi sạc, các hạt Silicon vi mô rời rạc tạo nên cực dương dày đặc năng lượng. Trong quá trình sạc pin, các ion Lithium dương di chuyển từ cực âm sang cực dương và giao diện 2D ổn định được hình thành.
• 3. Khi có nhiều ion Lithium di chuyển vào cực dương, nó sẽ phản ứng với vi Silicon để tạo thành các hạt hợp kim Lithium-Silicon (Li-Si) liên kết với nhau. Phản ứng tiếp tục lan truyền khắp điện cực.
• 4. Phản ứng gây ra sự giãn nở và đông đặc của các vi hạt Silicon, tạo thành một điện cực hợp kim Li-Si dày đặc. Các tính chất cơ học của hợp kim Li-Si và chất điện ly rắn có vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn và sự tiếp xúc dọc theo mặt phẳng giao diện 2D.

Theo nhóm nghiên cứu, những vòng thử nghiệm đầu tiên cho thấy loại pin mới an toàn, tuổi thọ cao và có mật độ năng lượng cao. Các nhà phát triển nói rằng điều này hứa hẹn cho một loạt các ứng dụng, từ lưu trữ điện lưới đến xe điện.

Nhóm nghiên cứu công bố một tế bào pin đầy đủ (quy mô phòng thí nghiệm) đã hoạt động 500 chu kỳ sạc mà vẫn duy trì 80% dung lượng, đây được coi là thành công bước đầu rất đáng chú ý.

Để đạt được kết quả đáng khích lệ này, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ carbon và các chất kết dính đi kèm trong các cực dương được làm hoàn toàn bằng silicon.

Về chất điện phân, nhóm nghiên cứu sử dụng chất điện phân rắn gốc sulfua. Bằng cách hoán đổi chất điện phân lỏng lấy chất điện phân rắn, đồng thời loại bỏ cacbon và chất kết dính khỏi cực dương silicon, các nhà nghiên cứu đã tránh được hiện tượng giảm dung lượng cũng như một loạt thách thức liên quan nảy sinh khi cực dương bị ngâm trong chất điện phân lỏng.

Phương pháp silicon ở trạng thái rắn khắc phục được nhiều hạn chế trong các loại pin thông thường. Nó mang đến những cơ hội thú vị để đáp ứng nhu cầu của thị trường về năng lượng thể tích cao hơn, hạ giá thành và pin an toàn hơn, đặc biệt là để lưu trữ năng lượng lưới điện. 

Nghiên cứu này được hỗ trợ tài chính bởi công ty Giải pháp Năng lượng LG thông qua chương trình Cuộc thi Sáng tạo Pin (BIC). Theo nhóm cho biết, công trình đang ở trong giai đoạn thử nghiệm và còn rất nhiều việc phải làm để có thể đưa sản phẩm tiên tiến này ra thị trường.

Theo Tạp chí Điện tử