Chụp hình ảnh 3D của pin trong thời gian thực

Phát hiện mới không chỉ giúp tìm hiểu lý do vì sao pin tiêu hao năng lượng và giảm hiệu suất theo thời gian, mà còn giúp phát triển công nghệ thế hệ mới cần để cung cấp năng lượng cho điện thoại và các thiết bị mang theo người trong tương lai.

Công trình nghiên cứu mới đã được đăng trên Tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học quốc gia, đề cập đến pin Lithium-ion (Li-ion) sạc. Loại pin này được sử dụng trong điện thoại, ô tô điện, máy tính xách tay và hầu hết các thiết bị điện tử khác.

Nhiều người coi kim loại lithium là vật liệu điện cực triển vọng và hiệu quả cao, có thể làm tăng hiệu suất và giảm trọng lượng của pin. Tuy nhiên, trong quá trình sạc, pin tích tụ các chất cặn lắng hay dendrite (cấu trúc tinh thể hình cây), làm giảm hiệu suất pin và gây ra các vấn đề về an toàn như cháy nổ. Do đó, việc theo dõi sự phát triển của dendrite là rất cần thiết để sản xuất pin hiệu suất cao từ vật liệu này.

GS. Alexej Jerschow, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Thách thức đặc biệt mà chúng tôi muốn giải quyết, là tiến hành đo lường dưới dạng 3D và với tốc độ đủ nhanh trong chu kỳ sạc pin. Điều này có thể được thực hiện bằng cách áp dụng các quá trình khuếch đại bên trong, cho phép đo lường các đặc trưng nhỏ bên trong pin để xác định các cơ chế thông thường gây hỏng pin. Chúng tôi tin rằng các phương pháp này sẽ trở thành những kỹ thuật quan trọng cho sự phát triển của pin hiệu suất cao hơn".

Các phương pháp hiện nay, trước đây cũng do nhóm nghiên cứu tại trường Đại học New York phát triển, đã áp dụng công nghệ MRI để xem xét trực tiếp các dendrite của lithium. Tuy nhiên, kỹ thuật này tạo nên những hình ảnh có độ phân giải hạn chế, nên khó quan sát các dendrite dưới dạng 3D và tìm hiểu về những điều kiện hình thành chúng.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các chất điện phân bao quanh lithium, được sử dụng để cho điện tích di chuyển giữa các điện cực. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã nhận thấy, những hình ảnh MRI về chất điện phân trở nên rất méo mó khi ở gần các dendrite. Đặc trưng này cung cấp một phương thức rất nhạy để xác định thời điểm và vị trí chúng phát triển.

Hơn nữa, trên cơ sở thu thập những hình ảnh biến dạng, các nhà khoa học có thể xây dựng hình ảnh 3D về các dendrite. Các phương pháp thay thế đòi hỏi phải mở pin ra, gây phá hủy cấu trúc dentrite và làm thay đổi thành phần hóa học của pin.

Andrew Ilott, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: "Phương pháp mới xem xét không gian và các vật liệu xung quanh dendrite, chứ không chỉ bản thân dendrite. Vì vậy, phương pháp này mang tính phổ quát hơn. Hơn nữa, chúng tôi còn có thể kiểm tra các cấu trúc được hình thành bởi các kim loại khác như Natri hoặc Magiê, hiện nay được xem là lựa chọn thay thế cho Lithium. Những hình ảnh 3D giúp chúng tôi hiểu rõ về hình thái và phạm vi phát triển của dendrite trong các điều kiện hoạt động khác nhau của pin".

N.P.D-NASATI (Theo Wired)