'Mặc áo lạnh', 'sưởi ấm' để tăng độ bền cho pin dưới trời lạnh

Nhóm đầu tiên tại Trung Quốc tiên phong thiết kế lớp bảo vệ linh hoạt, còn nhóm thứ hai đến từ Mỹ thiếp lập cơ chế tự sưởi ấm. Cả hai công trình nghiên cứu đều rất hữu ích cho nỗ lực ứng dụng pin thể rắn rộng rãi hơn nữa trong tương lai.

Pin thể rắn hứa hẹn sớm được trang bị cho xe điện và điện thoại thông minh - Ảnh: Acko Drive Team

“Mặc áo lạnh”

Pin thể rắn có mật độ năng lượng lẫn độ an toàn cao hơn pin lithium-ion dùng chất điện phân lỏng truyền thống, tránh được rủi ro như quá nhiệt hay cháy nổ. Tuy nhiên lớp điện phân rắn (SEI) khá giòn của chúng thường bị nứt trong quá trình sạc nhanh hoặc điều kiện nhiệt độ dưới 0°C, dẫn đến lớp mạ lithium không đều và giảm tuổi thọ.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa cùng Đại học Thiên Tân (Trung Quốc) thay thế SEI thông thường bằng một lớp vật liệu gốc bạc dẻo. Lớp “áo lạnh” này uốn cong trước áp suất đồng thời cho phép ion lithium dễ dàng di chuyển qua, ngăn ngừa nứt vỡ và giữ cho cấu trúc toàn vẹn. Thiết kế này cho phép chuyển đổi dần dần từ vật liệu mềm sang vật liệu cứng, giảm thiểu áp suất bên trong trong các chu kỳ sạc - xả. Lithium cũng được đảm bảo phân bổ đồng đều, hạn chế hình thành tinh thể dendrite làm giảm hiệu suất và có thể gây đoản mạch.

Trong phòng thí nghiệm, pin với SEI mới chịu được hơn 4.500 giờ hoạt động cường độ cao đồng thời duy trì tính ổn định hơn 7.000 giờ ở nhiệt độ -30°C (điều kiện thường làm hỏng các nguyên mẫu pin thể rắn thông thường). Kết quả thử nghiệm cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế đáng tin cậy của lớp phủ gốc bạc dẻo.

“Tự sưởi ấm”

Nhóm nghiên cứu từ Đại học California cùng Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley (Mỹ) lại chọn cách tiếp cận không xâm lấn kết cấu pin. Họ ghi nhận độ dẫn ion lithium của pin thể rắn khá thấp, dường như do lớp điện phân rắn. Hạn chế này đem đến nguy cơ xe điện khó khởi động vì thiếu điện áp. Tình trạng ion di chuyển yếu trở nên nghiêm trọng hơn ở điều kiện lạnh giá.

Tăng nhiệt độ có thể làm tăng độ dẫn ion theo cấp số nhân. Vài nghiên cứu trước đây đề ra phương pháp cấp nhiệt ngoài chẳng hạn lắp thêm buồng nhiệt độ hay bộ sưởi, nhưng làm vậy không thực tế vì tốc độ cấp nhiệt chậm và lại khiến xe trở nên cồng kềnh. Một nghiên cứu khác đề xuất tích hợp bộ gia nhiệt lá niken vào bên trong pin (tốc độ cấp nhiệt 1°C/giây). Tuy nhiên phương pháp này mang tính xâm lấn dễ gây mất an toàn, đồng thời đòi hỏi thêm vật liệu và quy trình xử lý lúc sản xuất.

Nhóm Đại học California - Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley giới thiệu giải pháp tự làm nóng bằng dòng điện xoay chiều (AC) không cần thay đổi kết cấu bên trong pin. Công nghệ tự làm nóng siêu cao tần (lớn hơn 105 Hz) của họ có thể nhanh chóng đưa nhiệt độ tăng từ mức thông thường 20 - 25°C lên 65°C trong vòng chưa đầy 1 phút, nâng mức giải phóng năng lượng lên gấp đôi. Đặc biệt mức tiêu thụ năng lượng để làm nóng chỉ chiếm 3,5% tổng năng lượng pin. Cách tiếp cận không xâm lấn khắc phục được hạn chế tốc độ chậm, chiếm không gian của phương pháp gia nhiệt ngoài, lại vẫn đảm bảo an toàn và không đòi hỏi thêm vật liệu như phương pháp xâm lấn.

Thúc đẩy phổ biến pin thể rắn

2 nghiên cứu trên rất có ý nghĩa đối với nỗ lực thúc đẩy phổ biến pin thể rắn, đặc biệt khi hàng loạt hãng xe như Toyota, BYD đặt mục tiêu ra mắt phương tiện dùng loại pin này vào năm 2027. Ở mảng thiết bị điện tử tiêu dùng, Oppo và Samsung cũng muốn sớm trang bị pin thể rắn cho điện thoại thông minh, tai nghe không dây, nhẫn thông minh nhằm đi trước đối thủ. Để đạt mốc thời gian này, các thành quả nghiên cứu cần nhanh chóng được phát triển từ nguyên mẫu thành hệ thống thực tế có thể sản xuất hàng loạt.

Cẩm Bình