Pin thể rắn cho xe điện bền gấp 7 lần và an toàn hơn nhờ vật liệu ít ai ngờ
Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc (KRICT) đã tìm ra một cách đơn giản không ngờ để giúp pin thể rắn bền gấp 7 lần so với hiện tại.
Theo trang Tech Xplore, họ đã sử dụng MoS₂ (molypden disulfua), loại vật liệu hay khoáng chất thường thấy trong các sản phẩm bôi trơn máy móc, theo cách hoàn toàn mới và đột phá để phát triển công nghệ pin. Đó là điều mà trước đây ít ai nghĩ đến.
Pin lithium-ion truyền thống luôn tiềm ẩn rủi ro vì dựa vào chất điện phân dạng lỏng, vốn có thể quá nhiệt hoặc thậm chí gây cháy. Pin thể rắn thay thế chất lỏng đó bằng vật liệu rắn, an toàn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.
Ngoài ra, còn có loại pin thể rắn không cực âm (anode), kiểu như “học sinh xuất sắc” trong thế giới pin. Dạng pin đó loại bỏ hoàn toàn cực âm, có thiết kế nhỏ gọn hơn nhưng mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, pin thể rắn không cực âm chưa đủ ổn định để dùng ngoài thực tế.
MoS₂ có thể thay đổi điều đó. Thay vì phải dùng kim loại đắt tiền để làm cho pin thể rắn không cực âm hoạt động bền vững, an toàn và duy trì hiệu suất tốt trong thời gian dài, nhóm nhà khoa học tại KRICT đã phủ các thành phần pin bằng màng MoS₂ siêu mỏng. Khi sạc, MoS₂ phản ứng với lithium tạo ra một lớp bảo vệ mạnh mẽ, ngăn sự hình thành của dendrite - các gai siêu nhỏ có thể phá hỏng pin từ bên trong.
Dendrite là những nhánh kim loại siêu nhỏ hình gai phát triển trên bề mặt điện cực (thường là cực âm) của pin trong quá trình sạc và xả lặp đi lặp lại. Khi pin sạc, các ion lithium di chuyển từ cực dương (cathode) sang cực âm và lắng đọng ở đó. Nếu quá trình lắng đọng này không đồng đều, các ion lithium có xu hướng tập trung và kết tinh tại một số điểm nhất định, tạo thành những cấu trúc nhọn, không bằng phẳng - đó chính là dendrite.
Giúp pin thể rắn bền gấp 7 lần
Theo thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, pin thông thường (không phủ MoS₂) chỉ hoạt động được khoảng 95 giờ trước khi bị đoản mạch. Những viên pin được phủ MoS₂ hoạt động ổn định hơn 300 giờ, tức được cải thiện gấp 3,2 lần.
Các nhà nghiên cứu của KRICT còn ghi nhận pin hoàn chỉnh có phủ MoS₂ đạt dung lượng xã ban đầu cao hơn 18% (từ 136,1 lên 161,1 mAh/g) và khả năng giữ dung lượng sau 20 chu kỳ sạc tăng gấp 7 lần (từ 8,3% lên 58,9%).
Dung lượng xả ban đầu là năng lượng mà pin có thể cung cấp ra ngoài trong lần xả đầu tiên sau khi được sạc đầy.
“Đây là một công nghệ cốt lõi của thế hệ tiếp theo, có thể thúc đẩy thương mại hóa pin thể rắn hoàn toàn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng”, ông Young-Kuk Lee, Chủ tịch KRICT, phát biểu.
Bạn hãy tưởng tượng về những chiếc xe điện an toàn hơn, di chuyển được xa hơn mà không cần sạc lại, hoặc những ngôi nhà lưu trữ được nhiều năng lượng Mặt trời hơn để giảm hóa đơn điện hàng tháng. Đây là kiểu đổi mới có thể len lỏi vào cuộc sống hằng ngày mà ít người nhận ra, trừ khi thiết bị của bạn cứ hoạt động mãi không hết pin.
Giảm ô nhiễm
Kéo dài tuổi thọ pin và nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng từ nguồn tái tạo cũng giúp giảm ô nhiễm, góp phần kiềm chế nhiệt độ toàn cầu đang gia tăng.
Tất nhiên, đây chưa phải là thứ bạn sẽ thấy ngay trên kệ hàng vào ngày mai. Nhóm nghiên cứu của KRICT dự đoán công nghệ này có thể trở thành hiện thực vào năm 2032.
Khi công nghệ pin phát triển đến mức như vậy thì cuộc sống của chúng ta sẽ thay đổi đáng kể. Trong tương lai, nỗi lo về chuyện pin sắp hết dung lượng có thể sẽ biến mất. Lúc đó, chúng ta sẽ thấy việc phải sạc pin thường xuyên hay mang theo cục sạc dự phòng là điều không cần thiết nữa.
MoS₂ là hợp chất vô cơ của molypden (Mo) và lưu huỳnh (S), có công thức hóa học là MoS₂. Nó tồn tại ở dạng chất rắn màu đen hoặc xám chì, có ánh kim loại và cảm giác trơn khi chạm vào, tương tự như than chì.
Đặc điểm nổi bật
Cấu trúc lớp: MoS₂ có cấu trúc tinh thể dạng lớp, trong đó mỗi lớp gồm một mặt phẳng nguyên tử molypden nằm giữa hai mặt phẳng nguyên tử lưu huỳnh. Các lớp này liên kết với nhau bằng lực van der Waals yếu, cho phép chúng dễ dàng trượt lên nhau. Đây chính là yếu tố tạo nên khả năng bôi trơn tuyệt vời của MoS₂.
Molypden là kim loại chuyển tiếp màu trắng bạc, sáng bóng và rất cứng. Nó thuộc nhóm VIB (còn được gọi là nhóm 6) trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Ngoài Molypden, VIB còn bao gồm cả hai nguyên tố kim loại chuyển tiếp là Crom (Cr) và Vonfram (W).
Tính bôi trơn rắn: Nhờ cấu trúc lớp đặc biệt này, MoS₂ được sử dụng rộng rãi như một chất bôi trơn rắn, đặc biệt hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao, tải trọng nặng, môi trường chân không hoặc bức xạ, nơi các chất bôi trơn lỏng truyền thống không hiệu quả.
Khả năng chịu nhiệt và kháng hóa chất: MoS₂ có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao mà không mất đi tính chất bôi trơn và có khả năng kháng hóa chất tốt, ít phản ứng với các chất khác, đặc biệt trong môi trường ẩm ướt hoặc có tính ăn mòn.
Tính bán dẫn: MoS₂ cũng có đặc tính bán dẫn và dẫn điện tốt, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng trong ngành điện tử và bán dẫn, để phát triển các linh kiện điện tử siêu mỏng và tiết kiệm năng lượng.
Ứng dụng khác: Ngoài ra, MoS₂ còn được sử dụng làm chất xúc tác ở công nghiệp dầu khí (ví dụ quá trình hydrocracking), trong sản xuất thuốc màu, chất chống cháy và chống khói cho polyme hữu cơ, và cả trong nghiên cứu pin thể rắn như trong bài báo bạn cung cấp.
Quá trình hydrocracking là công nghệ then chốt trong ngành lọc dầu và hóa chất, có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc biến đổi các phân đoạn dầu thô nặng, kém giá trị thành các sản phẩm nhẹ hơn, có giá trị cao hơn như xăng, dầu diesel, dầu hỏa (gồm cả nhiên liệu máy bay phản lực) và khí hóa lỏng (LPG).
Bột điện giải rắn nano-sunfua giúp pin sạc nhanh hơn, dùng được cả tuần
Cách đây hơn 1 tuần, trang TCD đưa tin hãng công nghệ Ampcera (Mỹ) đã bán ra loại bột điện giải rắn nano-sunfua mà họ gọi là vật liệu mang tính đột phá có thể giúp pin được sạc nhanh hơn, dùng được cả tuần và hoạt động mát hơn.
Nano-sunfua là một loại vật liệu sunfua có kích thước rất nhỏ, thường dưới 100 nanomet, được sử dụng làm chất điện giải rắn trong pin thể rắn.
Loại bột điện giải rắn nano-sunfua không văng tung tóe như chất lỏng trong pin thông thường mà cho phép năng lượng truyền qua các vật liệu rắn. Nói cách khác, nó giúp pin có thể hoạt động mát hơn, sạc nhanh hơn và dùng được lâu hơn rất nhiều.
Ampcera cũng khẳng định loại bột này mang lại “độ an toàn cao hơn và năng lượng nhiều hơn 50% so với pin lithium-ion hiện tại”.
Theo Ampcera, đây không phải chỉ là lý thuyết trong phòng thí nghiệm vì đã có nhiều đơn đặt hàng sản phẩm của họ. Hơn 200 khách hàng đang sử dụng vật liệu mới trong các thử nghiệm, Ampcera tuyên bố.
Phần lớn pin thể rắn hiện nay vẫn phụ thuộc vào chất lỏng, vốn có thể quá nhiệt hoặc bị phân hủy.
Vật liệu mới của Ampcera thay đổi điều đó. Theo TCD, Ampcera tuyên bố rằng các tế bào (cell) pin thể rắn của họ đạt mật độ năng lượng 400 Wh/kg và giữ được 80% dung lượng sau khi sạc nhanh. Điều đó giống như bạn sạc ĐTDĐ một lần và đến 1 tuần sau vẫn còn pin.
Loại bột điện giải rắn nano-sunfua của Ampcera ít gặp sự cố hơn đồng nghĩa với ít vật liệu quý bị lãng phí hơn. Điều này giúp giảm khai thác mỏ và ô nhiễm không khí lẫn nước từ quá trình xử lý nguyên liệu.
“Độ an toàn cao hơn cùng năng lượng nhiều hơn 50%” không chỉ là lời hứa mà đang được áp dụng thực tế, TCD đưa tin. Thiết kế pin ổn định hơn làm giảm nguy cơ xảy ra sự cố nhiệt, có thể dẫn đến quá nhiệt hoặc nghiêm trọng hơn thế.
Với những người sống ở các thành phố đông đúc hay môi trường nhạy cảm, độ tin cậy đó có thể đồng nghĩa ít vấn đề về an toàn hơn, chi phí bảo hiểm thấp hơn và sự yên tâm hơn, qua đó định hình lại cách chúng ta cấp điện cho công nghệ tương lai. Bạn hãy liên tưởng đến lưu trữ năng lượng lưới điện, xe tải giao hàng chạy điện và thậm chí cả thiết bị quân sự. Khả năng sạc nhanh và hệ thống năng lượng đáng tin cậy sẽ ảnh hưởng đến nhiều thứ, từ ứng phó khẩn cấp cho đến hàng không.
Lưu trữ năng lượng lưới điện là quá trình lưu trữ điện dư thừa từ lưới điện để sử dụng sau này, giúp ổn định nguồn cung và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.