Trong việc theo đuổi một pin sạc có thể cung cấp năng lượng xe điện (EV) cho hàng trăm dặm trên một lần sạc, các nhà khoa học đã cố gắng để thay thế các điện cực graphite hiện được sử dụng trong pin EV với cực dương lithium kim loại.
Nhưng trong khi kim loại lithium mở rộng phạm vi lái xe của EV thêm 30-50%, nó cũng rút ngắn thời gian sử dụng của pin do các đuôi gai lithium, các khuyết tật hình gai nhỏ hình thành trên cực dương lithium qua nhiều chu kỳ sạc và xả. Điều tồi tệ hơn là làm ngắn mạch các tế bào trong pin nếu chúng tiếp xúc với cực âm.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã giả định rằng các chất điện phân rắn, cứng, chẳng hạn như chất điện phân làm từ gốm sứ, sẽ hoạt động tốt nhất để ngăn chặn các sợi đuôi gai hoạt động theo cách của chúng trong tế bào. Nhưng vấn đề của cách tiếp cận đó, nhiều người phát hiện ra, là nó không ngăn các đuôi gai hình thành hoặc “tạo mầm” ngay từ đầu, giống như những vết nứt nhỏ trên kính chắn gió ô tô mà cuối cùng lan rộng.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng (Phòng thí nghiệm Berkeley), phối hợp với Đại học Carnegie Mellon, đã báo cáo trên tạp chí Nature Materials về một loại chất điện phân rắn, mềm – được làm từ cả polyme và gốm – rằng ngăn chặn các đuôi gai trong giai đoạn tạo mầm ban đầu đó, trước khi chúng có thể lan truyền và khiến pin bị hỏng.
Công nghệ này là một ví dụ về sự hợp tác đa ngành của Berkeley Lab trên các cơ sở người dùng của mình để phát triển các ý tưởng mới nhằm lắp ráp, mô tả đặc điểm và phát triển vật liệu và thiết bị cho pin trạng thái rắn.
Các công nghệ lưu trữ năng lượng ở trạng thái rắn như pin kim loại lithium thể rắn, sử dụng điện cực rắn và chất điện phân rắn, có thể cung cấp mật độ năng lượng cao kết hợp với độ an toàn tuyệt vời, nhưng công nghệ này phải vượt qua những thách thức về vật liệu và chế biến đa dạng.
Đồng tác giả Brett Helms, một nhà khoa học nhân viên tại Xưởng đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết: “Công nghệ khử dendrite của chúng tôi có ý nghĩa thú vị đối với ngành công nghiệp pin. “Với nó, các nhà sản xuất pin có thể sản xuất pin kim loại lithium an toàn hơn với cả mật độ năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài.”
Helms nói thêm rằng pin kim loại lithium được sản xuất bằng chất điện phân mới cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay điện.
Một cách tiếp cận mềm để triệt tiêu dendrite
Chìa khóa cho việc thiết kế các chất điện phân rắn, mềm mới này là việc sử dụng các polyme mềm có độ xốp nội tại, hoặc PIM, có các lỗ rỗng chứa đầy các hạt gốm nano. Bởi vì chất điện phân vẫn là một vật liệu linh hoạt, mềm, rắn, các nhà sản xuất pin sẽ có thể sản xuất các cuộn lá lithium với chất điện phân làm lớp phủ giữa cực dương và bộ phân tách pin. Helms cho biết các cụm phụ điện cực lithium này, hay còn gọi là LESA, là những thay thế hấp dẫn cho cực dương than chì thông thường, cho phép các nhà sản xuất pin sử dụng dây chuyền lắp ráp hiện có của họ.
Để chứng minh các tính năng ngăn chặn dendrite của chất điện phân tổng hợp PIM mới, nhóm Helms đã sử dụng tia X tại Nguồn sáng nâng cao của Berkeley Lab để tạo hình ảnh 3D về giao diện giữa kim loại lithium và chất điện phân, đồng thời để hình dung quá trình mạ và tước lithium đến 16 giờ ở dòng điện cao. Quan sát thấy sự phát triển trơn tru liên tục của lithium khi chất điện phân tổng hợp PIM mới có mặt, trong khi không có mặt phân cách, bề mặt này cho thấy các dấu hiệu nhận biết về giai đoạn đầu của sự phát triển của đuôi gai.
Những dữ liệu này và các dữ liệu khác đã xác nhận các dự đoán từ một mô hình vật lý mới về sự lắng đọng điện của kim loại lithium, có tính đến cả đặc tính hóa học và cơ học của chất điện ly rắn.
Đồng tác giả Venkat Viswanathan, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và đồng giảng viên tại Scott Viện Đổi mới Năng lượng tại Đại học Carnegie Mellon, người dẫn đầu các nghiên cứu lý thuyết cho công trình. “Thật đáng kinh ngạc khi tìm thấy một hiện thực hóa vật chất của phương pháp này với vật liệu tổng hợp PIM.”
Một người được trao giải trong chương trình IONICS của Cơ quan Năng lượng (ARPA-E), 24M Technologies, đã tích hợp các vật liệu này vào pin định dạng lớn hơn cho cả máy bay EV và eVTOL (máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng).
Helms cho biết: “Mặc dù có những yêu cầu về điện năng duy nhất đối với EV và eVTOL, nhưng công nghệ điện phân rắn tổng hợp PIM tỏ ra linh hoạt và cho phép ở mức công suất cao.
Theo Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE