Khám phá mới giúp kéo dài tuổi thọ pin và tăng độ an toàn khi sử dụng

Dendrite là những hạt giống như kim cương xuất hiện trên bề mặt của lithium kim loại, được sử dụng làm anốt (cực dương) hoặc điện cực âm của pin. Chúng gây ra các phản ứng phụ không mong muốn như làm giảm mật độ năng lượng, và tồi tệ nhất là gây ra sự thiếu hụt các điện cực có thể dẫn đến cháy hoặc nổ.

Nghiên cứu mới của Trường Đại học Arizona State liên quan đến việc sử dụng một lớp Polydimethylsiloxane (PDMS) 3 chiều, hoặc silicon, vì chất nền này của cực dương lithium kim loại đã được phát hiện cho thấy làm giảm sự hình thành dendrite và làm tăng thời gian sử dụng của pin và giảm thiểu nguy cơ mất an toàn.

Hanqing Jiang, giáo sư kỹ thuật về vật chất, năng lượng Trường Đại học Arizona State, và là tác giả bài viết được công bố trong tạp chí Nature Energy cho biết: “Những phát hiện này có liên quan đến cả pin lithium-ion và pin lithium, cũng như các tác động đối với các pin dựa trên anode kim loại khác”.

“Hầu như tất cả các kim loại dùng pin anode có xu hướng phát triển các dendrites. Ví dụ như pin kẽm, natri và nhôm”, Jiang giải thích.

Thay vì tiếp cận vấn đề từ các vật liệu cụ thể hoặc các triển vọng điện hóa học, Jiang và nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm các giải pháp tương tự các kỹ thuật cơ khí. Họ thực sự hiểu rằng các mũi kim hoặc các sợi tóc thiếc nhỏ có thể nhô lên khỏi bề mặt thiếc dưới ứng suất, do đó bằng cách tương tự, họ lưu ý đến khả năng chịu ứng xuất của vật liệu giống như một yếu tố làm tăng trưởng dendrite trong lithium.

Phạm vi đầu tiên của nghiên cứu liên quan đến việc thêm một lớp PDMS vào đáy của cực dương của pin. Kết quả cho thấy, giảm đáng kể sự phát triển dendrite.

“Đây là lần đầu tiên tìm ra chứng cứ thuyết phục cho thấy ứng suất thặng dư đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành dendrites trong lithium”, Jiang nói.

Ngoài việc có được các kiến thức nền tảng về cơ chế tăng trưởng dendrite, nhóm nghiên cứu của Jiang cũng khám phá ra một cách thông minh lợi dụng hiện tượng này để tăng tuổi thọ cho pin lithium kim loại trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng cao của chúng. Giải pháp này là chất nền PDMS dạng 3-D với nhiều bề mặt.

“Hãy hình dung các viên bọc đường có chứa rất nhiều lỗ nhỏ bên trong, bên trong các khối này, PDMS tạo thành một mạng lưới liên tục giống như chất nền, được bao phủ bởi một lớp đồng mỏng để dẫn điện. Cuối cùng, lithium làm đầy các lỗ rỗng này. PDMS, giống như lớp bọt xốp, làm giảm ứng suất và ức chế hiệu quả sự phát triển dendrite”, Jiang nói.

“Bằng cách kết hợp với các phương pháp ức chế lithium dendrite khác như chất phụ gia điện phân mới, phát hiện này có ý nghĩa rất lớn đối với việc sản xuất pin lithium-metal như là một giải pháp lưu trữ năng lượng an toàn, mật độ cao, dài hạn”, Giáo sư Ming Tang, thành viên của Trường Đại học Rice cho biết. “Các phạm vi ứng dụng tiềm năng bao gồm dùng cho các thiết bị điện tử cá nhân và hoặc là nguồn điện dự phòng cho lưới điện năng lượng mặt trời”.

P.T.T-NASATI (Theo Techxplore)