Khi nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng tăng, pin đóng vai trò thiết yếu trong các thiết bị như smartphone và xe điện. Một trong những công nghệ hứa hẹn nhất hiện nay là pin thể rắn, vốn hứa hẹn mang lại khả năng cung cấp thời gian sử dụng lâu hơn cho smartphone và tăng cường phạm vi hoạt động cho xe điện.
Các nhà khoa học đang nỗ lực đưa pin thể rắn vào cuộc sống.
Không giống pin lithium-ion truyền thống, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng, giúp mang lại nhiều lợi ích như mật độ năng lượng cao hơn và độ an toàn được cải thiện. Tuy nhiên, một thách thức lớn trong việc thương mại hóa công nghệ này là sự hình thành các nhánh tinh thể giống như cây, gọi là dendrite, có thể gây ra đoản mạch trong quá trình sạc.
Giờ đây, mọi thứ dường như sắp được giải quyết khi một nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck về Vật liệu Bền vững (MPI-SusMat) của Đức đã phát hiện ra nguyên nhân gây ra hiện tượng dendrite. Họ đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature, làm sáng tỏ cách mà các nhánh tinh thể lithium có thể xuyên qua lớp điện phân gốm cứng và gây ra hỏng hóc.
Tiến sĩ Yuwei Zhang, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Mặc dù các nhánh tinh thể được cấu tạo từ kim loại lithi mềm, nhưng chúng vẫn có khả năng xuyên qua chất điện phân gốm, dẫn đến sự nứt vỡ”.
Các nhánh tinh thể lithium hình thành trong quá trình sạc.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm trong môi trường chân không và ở nhiệt độ cực thấp để loại bỏ các yếu tố gây nhiễu. Kết quả cho thấy không có sự tích tụ lithium ở đầu nhánh tinh thể, từ đó loại bỏ một giả thuyết trước đó. Zhang giải thích: “Kim loại lithi mềm có khả năng xuyên qua chất điện phân gốm cứng như một tia nước xuyên qua đá. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng ứng suất thủy tĩnh trong cấu trúc nhánh là nguyên nhân chính dẫn đến sự gãy vỡ của chất điện phân rắn”.
Với những hiểu biết mới này, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm các giải pháp để ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình hình thành dendrite. Các chiến lược tiềm năng bao gồm cải thiện độ cứng của chất điện phân rắn, tạo ra các lỗ rỗng siêu nhỏ để định hướng sự phát triển của các nhánh tinh thể, hoặc thêm lớp phủ bảo vệ lên điện cực lithium.
Công trình nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của pin thể rắn mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ pin trong tương lai, hứa hẹn mang lại những cải tiến đáng kể cho smartphone, xe điện và các thiết bị điện tử khác.
Kiến Tường - PhoneArena
