Một phần của pin kim loại lithium thể rắn ở Nghi Tân, tỉnh Tứ Xuyên, tây nam Trung Quốc, ngày 2/9/2024. Ảnh: Xinhua/Tang Wenhao
Pin lithium thể rắn được coi là một trong những giải pháp lưu trữ năng lượng hứa hẹn nhất trong thập kỷ tới. Lý do, loại pin này cung cấp nhiều năng lượng hơn với cùng một thể tích, làm giảm kích thước pin. Chúng cũng có tính ổn định nhiệt tốt hơn, không bắt lửa và không có nguy cơ rò rỉ chất lỏng, giảm đáng kể nguy cơ tự bốc cháy và phát nổ.
Tuy nhiên, rào cản lớn về kỹ thuật của loại pin này là chất điện phân rắn khó hấp thụ những áp lực sinh ra từ sự giãn nở và co lại của lithium trong chu kỳ sạc. Những áp lực này có thể gây nứt hoặc tạo ra các dendrite - cấu trúc tí hon giống kim có khả năng làm đoản mạch - đặt ra thách thức lớn cho việc công nghiệp hóa pin thể rắn.
Trong nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Science hôm 18/4, nhóm nhà khoa học từ Đại học Đồng Tế và Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung phát hiện rằng thất bại của pin thể rắn liên quan đến độ mỏi chu kỳ của cực anode kim loại lithium. Họ cũng nhận thấy, độ mỏi này tuân theo những nguyên tắc cơ học rõ ràng, giống như việc uốn cong một chiếc kẹp giấy nhiều lần sẽ khiến nó yếu dần và gãy.
"Công trình này chứng minh tầm quan trọng của độ mỏi trong hiệu suất của cực anode kim loại lithium trong pin thể rắn", Jagjit Nanda và Sergiy Kalnaus, hai nhà khoa học pin của Mỹ, nhận xét về nghiên cứu.
Việc xác định được cơ chế dẫn đến sự thất bại của pin lithium thể rắn có thể định hình lại tương lai của xe điện. Phát hiện mới cung cấp một cơ sở định lượng để dự đoán vòng đời của pin và mở ra những hướng đi mới để thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng lâu bền hơn.
Trụ sở chính của CATL, nhà sản xuất pin hàng đầu thế giới, ở Ninh Đức, Phúc Kiến, Trung Quốc. Ảnh: NYT
Ngoài khắc phục rào cản kỹ thuật, Trung Quốc cũng nỗ lực giảm chi phí sản xuất pin thể rắn. Tháng 7 năm ngoái, nhóm chuyên gia từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) phát triển chất điện phân rắn Li7P3S7.5O3.5 (LPSO), hứa hẹn giúp giảm đáng kể giá thành loại pin này. Sự ra đời của chất điện phân rắn mới giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng Lithium sulfide (Li2S) đắt đỏ.
Pin thể rắn có thể sử dụng oxit hoặc sulfide làm cực cathode để tăng mật độ năng lượng. Do hiệu suất vượt trội, sulfide thường được coi là lựa chọn triển vọng nhất, nhưng chi phí cao vẫn là một vấn đề lớn.
Giá chất điện phân rắn sulfide thường vượt 195 USD/kg, cao hơn nhiều so với ngưỡng 50 USD/kg cần thiết để phổ biến rộng rãi. Chất điện phân mới được tổng hợp từ hai hợp chất giá rẻ, giúp giảm chi phí nguyên vật liệu xuống chỉ còn 14,42 USD/kg, bằng chưa đến 8% chi phí cho các chất điện phân rắn sulfide khác.
Một bộ pin thử nghiệm làm từ LPSO và kim loại lithium đã chứng minh được khả năng hoạt động ổn định hơn 4.200 giờ ở nhiệt độ phòng. Hiệu suất dự kiến còn cải thiện hơn nữa và các nhà khoa học đang tích cực nỗ lực cho mục tiêu này.
Các nhà khoa học đang tăng cường hợp tác với những công ty pin hàng đầu để đẩy nhanh việc thương mại hóa công nghệ mới. Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã ký thỏa thuận hợp tác với BYD, tập trung vào những lĩnh vực tiên tiến như pin thể rắn.
Thu Thảo (Theo Xinhua, Interesting Engineering)
