Hàn Quốc thử nghiệm thành công pin khỏe gấp đôi pin Tesla
Theo Advanced Science, một công nghệ pin mới của Hàn Quốc không chỉ hứa hẹn lưu trữ được nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn mà còn giúp pin bền hơn. Điều này có thể làm thay đổi vĩnh viễn ngành xe điện, điện thoại di động và các thiết bị tương tự.
Các nhà khoa học Hàn Quốc thử nghiệm pin
Một nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc đã phát triển một công nghệ pin mới giải quyết được hai vấn đề lớn của pin truyền thống: lưu trữ năng lượng nhiều hơn đáng kể và duy trì độ ổn định lâu hơn.
Tất cả là nhờ một công nghệ kết nối đặc biệt giúp liên kết chắc chắn các thành phần riêng biệt của pin. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, loại pin mới này đạt mật độ năng lượng gần gấp đôi so với các mẫu pin hiện hành của Tesla hoặc CATL, đồng thời cũng kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng.
Pin cải tiến: Nhiều năng lượng hơn, ít hao mòn hơn
Theo thông tin được công bố trong tạp chí khoa học Advanced Science, điểm đặc biệt của công nghệ mới nằm ở chỗ: các nhà nghiên cứu tại Đại học Postech và Đại học Sogang đã thành công trong việc “khóa liên kết” các thành phần pin lại với nhau một cách chặt chẽ, thay vì để chúng lắp ghép lỏng lẻo như trước kia.
Trước đây, các thành phần trong pin lithium-ion được sắp xếp như những lớp bánh. Với quy trình mới này, mọi thứ được gắn kết chặt chẽ và vĩnh viễn với nhau, giống như cấu trúc gạch và vữa trong xây dựng.
Cấu trúc này được gọi là IEE (In-Situ Interlocking Electrode-Electrolyte), tức “cấu trúc điện cực - chất điện phân khóa liên kết tại chỗ” giúp pin duy trì độ ổn định qua nhiều chu kỳ sạc-xả.
Vấn đề lớn của pin lithium-ion truyền thống là: chúng hao mòn theo thời gian, giảm dung lượng hoặc dễ tổn thương khi chịu áp lực. Điều này đặc biệt đúng với cực dương bằng silicon vốn có khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội, nhưng khi sạc thể tích silicon tăng và co lại mạnh, khiến pin nhanh chóng xuống cấp.
Liên kết rắn trong thiết kế mới giúp ổn định cấu trúc và hấp thụ các ứng suất vật lý tốt hơn. Nhờ vậy, silicon trở thành lựa chọn khả thi hơn thay cho graphite vốn được sử dụng phổ biến. So với silicon, graphite chỉ lưu trữ được 1/10 số ion lithium. Nói cách khác, loại pin mới vừa bền hơn, vừa mạnh hơn.
Lợi ích chính của công nghệ IEE
Giải quyết vấn đề phồng/co rút: Anode silicon có tiềm năng lưu trữ năng lượng rất lớn so với graphite truyền thống. Tuy nhiên, silicon có nhược điểm là bị phồng lên và co lại đáng kể trong quá trình sạc/xả, dẫn đến pin nhanh chóng bị lão hóa và mất dung lượng.
Ổn định cấu trúc: Cấu trúc IEE với liên kết rắn chắc giúp ổn định anode silicon, hấp thụ tốt hơn những thay đổi thể tích này. Điều này làm cho việc sử dụng silicon làm vật liệu anode trở nên khả thi và thực tế hơn, tận dụng được khả năng lưu trữ năng lượng gấp 10 lần so với graphite.
Mật độ năng lượng cao hơn: Nhờ khả năng sử dụng hiệu quả anode silicon và liên kết chặt chẽ các thành phần, pin IEE có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một không gian hoặc trọng lượng.
Tuổi thọ pin dài hơn: Việc cấu trúc pin được "khóa chặt" giúp giảm thiểu sự hao mòn và suy giảm hiệu suất theo thời gian và qua nhiều chu kỳ sạc/xả. Pin duy trì ổn định hơn, kéo dài tuổi thọ sử dụng đáng kể.
Vẫn trong giai đoạn thử nghiệm nhưng đầy triển vọng
Trong thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, pin mới đạt các thông số rất ấn tượng: 403,7 Wh/kg mật độ năng lượng khối lượng và 1.300 Wh/L mật độ năng lượng thể tích. Đây là những con số này vượt xa các mẫu pin thương mại hiện tại như pin Tesla 4680 (chỉ đạt 241 Wh/kg và 643 Wh/L).
Tuy nhiên, công nghệ này mới chỉ tồn tại ở quy mô nhỏ, với vài gam vật liệu được sử dụng. Việc đưa vào sản xuất hàng loạt vẫn là một thách thức lớn.
Bởi lẽ thiết kế mới này không chỉ cần vật liệu khác, mà còn đòi hỏi quy trình sản xuất mới, có thể phức tạp và tốn kém. Các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng sẽ cần thêm thời gian và phát triển để biến nguyên mẫu trong phòng lab thành một sản phẩm thương mại thực sự.
Tuy nhiên, nếu công nghệ IEE được ứng dụng rộng rãi, hệ quả sẽ rất lớn: những viên pin với mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ dài hơn có thể giúp xe điện nhẹ hơn, hiệu quả hơn, đồng thời kéo dài tuổi thọ pin.
Công nghệ này cũng sẽ là một bước tiến lớn cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay và hệ thống lưu trữ điện tại chỗ (như pin dự phòng cho nhà ở hoặc lưới điện).
Một số thách thức khi đưa công nghệ IEE vào sản xuất và ra thị trường
Mở rộng quy mô sản xuất: Công nghệ hiện tại mới chỉ tồn tại ở quy mô nhỏ, sử dụng vài gam vật liệu. Việc chuyển đổi từ sản xuất trong phòng thí nghiệm (với số lượng nhỏ) sang sản xuất công nghiệp hàng loạt là một chặng đường dài và đầy thách thức.
Yêu cầu vật liệu mới: Thiết kế pin mới này không chỉ đòi hỏi các vật liệu khác biệt so với pin truyền thống.
Quy trình sản xuất phức tạp và tốn kém: Công nghệ IEE yêu cầu các quy trình sản xuất phải được sửa đổi hoàn toàn. Những quy trình mới này có thể rất phức tạp và tốn kém để triển khai ở quy mô lớn.
Thời gian và phát triển: Chính các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng sẽ cần nhiều thời gian và công sức phát triển thêm trước khi nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm có thể trở thành một loại pin có thể thương mại hóa và đưa ra thị trường.
