Theo Yue Sun, nhà nghiên cứu tại CUHK, việc tăng hiệu suất pin đôi khi phải đánh đổi với sự an toàn. Bà giải thích, tăng hiệu suất đòi hỏi phải tập trung vào những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ phòng, trong khi tăng tính an toàn cần tập trung vào phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao. "Vì vậy, chúng tôi nảy ra ý tưởng phá vỡ sự đánh đổi này, thiết kế một vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng, đồng thời giữ ổn định tốt ở nhiệt độ cao", Sun cho biết.
Các vụ cháy pin thường bắt đầu khi một phần chất điện phân bị phân hủy dưới áp lực và giải phóng nhiệt theo phản ứng dây chuyền. Thiết kế của Sun cùng đồng nghiệp sử dụng chất điện phân mới gồm hai dung môi nhằm chặn đứng phản ứng dây chuyền này.
Ở nhiệt độ phòng, dung môi đầu tiên giúp giữ cho cấu trúc hóa học của pin chắc gọn, tối ưu hóa hiệu suất, nhưng nếu pin bắt đầu nóng lên, dung môi thứ hai sẽ chiếm ưu thế, ngăn cháy nổ bằng cách làm lỏng cấu trúc đó và làm chậm những phản ứng có thể dẫn đến thoát nhiệt (thermal runaway) - hiện tượng nguy hiểm trong đó một tế bào pin nóng lên nhanh chóng, làm tăng dòng điện và tiếp tục tăng nhiệt độ.
Các giai đoạn thử nghiệm đâm thủng bằng đinh của một viên pin sẵn có trên thị trường (hàng trên) và viên pin trong nghiên cứu của CUHK (hàng dưới). Ảnh: CUHK
Trong thử nghiệm, viên pin với thiết kế mới khi bị đâm thủng bằng đinh chỉ tăng nhiệt lên 3,5 độ C thay vì mức đột biến 555 độ C như pin truyền thống. Theo nhóm nghiên cứu, pin không bị ảnh hưởng tiêu cực về hiệu suất hay độ bền và vẫn giữ được hơn 80% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc.
"Phát minh của chúng tôi là chất điện phân nên có thể dễ dàng đưa vào các hệ thống sẵn có trên thị trường. Về cơ bản, bạn chỉ cần thay chất điện phân mới", Yi-Chun Lu, giáo sư cơ khí và kỹ thuật tự động hóa tại Đại học Trung văn Hong Kong, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Nature Energy.
Công thức hóa học mới có thể làm tăng nhẹ chi phí sản xuất, nhưng ở quy mô lớn, giá thành sẽ gần như tương đương pin hiện nay. Lu cùng đồng nghiệp đang thảo luận với các nhà sản xuất pin để đưa thiết kế mới ra thị trường, ước tính trong 3-5 năm tới.
Trong thử nghiệm, họ đã chế tạo viên pin đủ lớn để cung cấp năng lượng cho máy tính bảng, nhưng cần kiểm chứng thêm nếu muốn tăng lên kích thước cần thiết cho ôtô. Họ hy vọng loại pin mới có thể sử dụng cho mọi sản phẩm đang dùng pin lithium-ion hiện nay, bao gồm sạc dự phòng, laptop, smartphone. "Khi đó, pin trong các thiết bị này có thể duy trì mật độ năng lượng và hiệu suất cao, đồng thời trở nên an toàn hơn. Ví dụ, bạn có thể sạc điện thoại trên bàn cạnh giường ngủ mà không sợ nó dễ bốc cháy", Lu nói.
Jorge Seminario, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Texas A&M, đánh giá thiết kế mới giải quyết một trong những thách thức lớn nhất với pin lithium-ion năng lượng cao: đạt được cả sự an toàn và hiệu suất tốt. Ông nói với CNN: "Nghiên cứu có tính đổi mới và tác động lớn, cung cấp một giải pháp thiết thực cho nút thắt trọng yếu trong vấn đề an toàn pin lithium-ion".
Thu Thảo (Theo CNN, China Daily)
