Hàn Quốc áp dụng công nghệ bán dẫn mở hướng cải tiến pin xe điện

Cấu trúc đồng nano giúp lithium phân bố đều hơn khi sạc pin xe điện, góp phần hạn chế sự hình thành các nhánh tinh thể gây hại. (Nguồn: KAIST)

Các nhà khoa học Hàn Quốc đã ứng dụng kỹ thuật chế tạo siêu nhỏ vốn dùng trong ngành bán dẫn để cải thiện bề mặt thu dòng bằng đồng của pin không cực dương, qua đó giúp lithium lắng đọng đồng đều hơn trong quá trình sạc và hạn chế sự hình thành dendrite.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí khoa học quốc tế chuyên ngành vật liệu tiên tiến Advanced Functional Materials, do nhóm khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), Đại học Quốc gia Kyungpook và Trung tâm NanoFab Quốc gia Hàn Quốc thực hiện.

Một trong những hướng được kỳ vọng giúp tăng mật độ năng lượng của pin xe điện là pin không cực dương, hay “anode-free battery”. Khác với pin thông thường sử dụng các vật liệu như graphite để lưu trữ lithium trong quá trình sạc, thiết kế này cho phép lithium lắng đọng trực tiếp lên một lá đồng mỏng.

Việc loại bỏ vật liệu cực dương giúp giảm khối lượng và tiết kiệm không gian, tạo điều kiện để pin tích trữ nhiều năng lượng hơn mà không cần tăng kích thước. Tuy nhiên, thiết kế này cũng đặt ra thách thức lớn về độ bền.

Qua nhiều chu kỳ sạc và xả, lithium có thể tích tụ không đều trên bề mặt đồng, hình thành các cấu trúc nhọn, phân nhánh gọi là dendrite. Lớp bảo vệ trên bề mặt lithium cũng có thể trở nên kém ổn định, làm tăng các phản ứng không mong muốn với chất điện phân, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ pin.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu ứng dụng những kỹ thuật chế tạo siêu nhỏ vốn được sử dụng trong ngành bán dẫn. Trước hết, các nhà khoa học phủ lên lá đồng một lớp MXene dày khoảng 10 nanomet. Đây là vật liệu hai chiều siêu mỏng, đóng vai trò như một lớp nền hỗ trợ hình thành màng bảo vệ giàu lithium fluoride (LiF) trong quá trình pin hoạt động. Màng này giúp hạn chế phản ứng giữa lithium và chất điện phân, đồng thời góp phần ngăn dendrite phát triển.

Nhóm nghiên cứu đồng thời sử dụng kỹ thuật quang khắc phún xạ thứ cấp (secondary sputtering lithography - SSL), một quy trình gia công vi mô chính xác trong sản xuất bán dẫn, để tạo trên bề mặt đồng mạng lưới các ống siêu nhỏ. Mỗi ống có đường kính khoảng 300 nanomet và cao khoảng 150 nanomet, giúp diện tích bề mặt tăng lên khoảng bốn lần so với lá đồng phẳng.

Diện tích bề mặt lớn hơn cho phép lithium phân tán rộng và đồng đều hơn trong quá trình sạc, thay vì tập trung tại một số điểm rồi phát triển thành các nhánh sắc nhọn. Các phân tích cũng xác nhận lớp bảo vệ kích thước nano hình thành đồng đều trên bề mặt MXene.

Giáo sư Jinwoo Lee thuộc KAIST cho biết, phương pháp mới có thể đồng thời tạo các vị trí lắng đọng lithium đồng đều và một lớp bảo vệ ổn định mà không cần thay đổi đáng kể thành phần chất điện phân hay bổ sung lượng lithium dư.

Theo nhóm nghiên cứu, giải pháp này có thể kéo dài tuổi thọ pin mà chỉ làm tăng rất ít khối lượng và thể tích, qua đó mở thêm hướng phát triển pin xe điện nhỏ hơn, nhẹ hơn nhưng có mật độ năng lượng cao hơn.