Công nghệ mới sản xuất pin Lithi-ion sạc nhanh, không cháy

Loại pin toàn bằng chất rắn đầu tiên được phát triển có thể sẽ là loại pin an toàn hơn, sạc nhanh hơn, và tuổi thọ cao hơn cho các thiết bị di động cầm tay, xe điện và thiết bị dự trữ năng lượng tĩnh.

Bước đột phá mới nhất của Goodenough, được hoàn thiện cùng với nghiên cứu viên cao cấp Maria Helena Braga ở trường Cockrell, là loại pin ở trạng thái rắn, chi phí thấp, không cháy và có tuổi thọ dài, với mật độ năng lượng trên thể tích cao và tốc độ sạc và xả cao. Các kỹ sư mô tả công nghệ mới của họ trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Energy & Environmental Science.

Goodenough cho biết: "Chi phí, độ an toàn, mật độ năng lượng, tốc độ sạc và tuổi thọ rất quan trọng đối với ô tô chạy bằng ắc quy để được chấp nhận rộng rãi hơn. Chúng tôi tin rằng, phát hiện của chúng tôi giải quyết được nhiều vấn đề tồn tại của các loại ắc quy hiện nay".

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, ắc quy mới của họ có mật độ năng lượng cao ít nhất gấp ba lần ắc quy lithi-ion hiện nay. Mật độ năng lượng của ắc quy tạo ra phạm vi chạy của xe điện, như vậy, mật độ năng lượng cao hơn có nghĩa là xe có thể chạy nhiều dặm hơn giữa các lần sạc. Ắc quy của UT Austin cũng cho phép số lượng chu kỳ sạc và xả lớn hơn, có nghĩa là ắc quy có tuổi thọ lâu hơn, cũng như tốc độ sạc nhanh hơn (phút thay vì giờ).

Pin lithi-ion hiện nay sử dụng chất điện ly lỏng để vận chuyển các ion lithi giữa anode (mặt âm của pin) và cathode (mặt dương của pin). Nếu pin được sạc quá nhanh, nó có thể tạo ra các sợi hình nhánh cây hoặc "râu kim loại" và đi qua chất điện ly lỏng, gây đoản mạch có thể dẫn đến cháy, nổ. Thay vì các chất điện ly lỏng, các nhà nghiên cứu dùng chất điện ly thủy tinh cho phép sử dụng anode kim loại kiềm mà không tạo thành các sợi hình nhánh cây.

Việc sử dụng anode kim loại kiềm (lithi, natri hoặc kali) - là không thể với pin thông thường - làm tăng mật độ năng lượng của cathode và tạo vòng đời dài. Trong các thí nghiệm, pin của các nhà nghiên cứu đã đạt hơn 1.200 chu kỳ với nội trở pin thấp.

Ngoài ra, vì các chất điện ly thủy tinh rắn có thể hoạt động, hoặc có độ dẫn điện cao, ở -20 độ C, loại ắc quy này ở xe có thể hoạt động tốt ở thời tiết dưới 0 độ C. Đây là loại ắc quy đầu tiên ở trạng thái rắn có thể hoạt động ở dưới 60 độ C.

Braga đã bắt đầu phát triển chất điện ly thủy tinh rắn với các đồng nghiệp trong khi đang học tại Đại học Porto ở Bồ Đào Nha. Khoảng hai năm trước đây, Braga bắt đầu hợp tác với Goodenough và nhà nghiên cứu Andrew J. Murchison tại UT Austin. Braga cho biết, Goodenough đã mang đến sự hiểu biết về các thành phần và tính chất của các chất điện ly thủy tinh rắn dẫn đến một phiên bản mới của các chất điện ly, hiện được cấp bằng sáng chế thông qua Văn phòng Thương mại hóa Công nghệ Austin UT.

Chất điện ly thủy tinh của các kỹ sư cho phép họ tạo ra các tấm và dải kim loại kiềm ở hai cực anode và cathode mà không tạo ra sợi hình nhánh cây, đơn giản hóa được quá trình chế tạo pin.

Một lợi thế khác là pin có thể được làm từ vật liệu thân thiện với trái đất.

"Chất điện ly thủy tinh cho phép thay thế natri chi phí thấp cho lithi. Natri được chiết xuất từ nước biển và có ở khắp nơi", Braga cho biết.

Goodenough và Braga đang tiếp tục đẩy mạnh việc nghiên cứu pin của họ và đang làm một số bằng sáng chế. Về ngắn hạn, họ hy vọng sẽ làm việc với các nhà sản xuất ắc quy để phát triển và thử nghiệm các vật liệu mới trong xe điện và các thiết bị dự trữ năng lượng.

N.M.P-NASATI (Theo Science News)