Phát triển khả năng sạc cực nhanh trong pin điện Lithium-ion dành cho xe điện

Pin Lithium-ion dành cho xe điện (EV). Ảnh TechXplore.

Thế giới hiện đang chuyển đổi mạnh mẽ từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo và pin điện. Mặc dù có sự cấp bách phải sử dụng năng lượng bền vững, những những thách thức cốt lõi liên quan đến hiệu quả, sự ổn định và thân thiện môi trường vẫn là trở ngại lớn cần vượt qua.

Một trong những thách thức trong phổ cập xe điện (EV) khi sử dụng pin lithium-ion (Li-ion) trên thị trường là tốc độ sạc chậm. Sạc nhanh "cực đỉnh" (trong đó 80% pin được sạc trong vòng 10 phút), mật độ năng lượng cao và số lượng lớn chu kỳ sạc xả là những tính năng quan trọng mà ngành công nghiệp ô tô đang chờ đợi những phát triển mới ở pin.

Để phát triển khả năng sạc nhanh trong pin, các nhà nghiên cứu từ lâu đã cố gắng tăng cường sự truyền khối lượng của chất điện phân và sự truyền điện tích giữa các điện cực, thực hiện những nghiên cứu sâu rộng mối quan hệ giữa truyền khối lượng và truyền điện tích nhằm có được giải pháp thiết kế tối ưu.

Một nghiên cứu của một nhóm nhà khoa học, do GS Noriyoshi Matsumi thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) dẫn đầu, giới thiệu một giải pháp kỹ thuật mới, tăng cường khả năng sạc nhanh bằng phương pháp sử dụng vật liệu kết dính thúc đẩy sự xen kẽ Li-ion của vật liệu hoạt tính trên cực dương của pin.

Vật liệu kết dính giúp tăng cường khả năng khuếch tán các ion Li đã khử qua bề mặt chất điện phân rắn (SEI) và bên trong vật liệu cực dương, đồng thời mang lại độ dẫn điện cao, trở kháng thấp và độ ổn định bền bỉ của pin điện.

Nhóm nghiên cứu bao gồm cựu Giảng viên cao cấp Rajashekar Badam, Nghiên cứu sinh sau TS Anusha Pradhan, cựu Nghiên cứu sinh Ryoya Miyairi và Nghiên cứu sinh TS Noriyuki Takamori từ JAIST. Phát minh của nhóm được công bố trên tạp chí ACS Materials Letters.

Các tác giả của nghiên cứu, GS Matsumi và GS. Badam thuộc JAIST cho biết: "Chiến lược mà chúng tôi thực hiện là sử dụng polymer borat lithium có nguồn gốc sinh học làm chất kết dính polyelectrolyte dạng nước, tăng cường truyền điện tích trong các điện cực như cực dương than chì, thiết lập khả năng sạc pin nhanh".

Trong khi hầu hết các nghiên cứu về pin tập trung vào thiết kế vật liệu hoạt tính và tăng cường khả năng chuyển khối lượng của chất điện phân, nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản đề cập đến phương thức tiếp cận khác, thiết kế vật liệu kết dính cụ thể nhằm thúc đẩy sự xen kẽ lithium-ion của vật liệu hoạt tính.

Chất kết dính polyelectrolyte dạng nước loại borat lithium cho cực dương than chì. Giúp tăng cường khả năng khuếch tán Li-ion và trở kháng thấp hơn so với pin thông thường khiến pin sạc nhanh. Ảnh Noriyoshi Matsumi /JAIST

GS Matsumi giải thích: "Vật liệu kết dính với lithium borat có khả năng phân ly cao, tăng cường sự khuếch tán lithium-ion trong ma trận cực dương. Hơn nữa, chất kết dính này có thể chế tạo thành SEI organoboron, cho điện trở tiếp xúc giữa chất điện phân với các điện cực rất thấp nếu so sánh với những tế bào pin thông thường hiện nay."

Vai trò của các hợp chất boron (boron 4 liên kết trong chất kết dính và SEI giàu boron) hỗ trợ quá trình khử các ion Li + bằng phương pháp giảm năng lượng kích hoạt quá trình khử Li + từ vỏ dung môi của SEI.

Với độ khuếch tán cao và trở kháng thấp, điện thế quá mức liên quan đến truyền điện tích tại giao diện sẽ giảm. TS Anusha Pradhan thuộc JAIST, tác giả đầu tiên của báo cáo khoa học giải thích: "Đây là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng sạc nhanh của pin Li-ion."

Khi quá trình sạc pin vượt quá tốc độ xen kẽ Li-ion, xuất hiện quá trình mạ Li trên các điện cực than chì. Đó là một quá trình không mong muốn, làm giảm tuổi thọ pin và hạn chế khả năng sạc nhanh. Trong nghiên cứu này, sự khuếch tán của những ion được tăng cường qua SEI và bên trong các điện cực sẽ hạn chế sự phân cực nồng độ của các ion Li + (sự tích tụ ion Li+ trên bề mặt điện cực) loại trừ khả năng có lớp mạ trên than chì.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học không chỉ thử nghiệm một chiến lược mới, chế tạo pin sạc tốc độ cực cao và giảm điện trở bề mặt mà còn sử dụng một loại polymer sinh học có nguồn gốc từ axit caffeic. Là hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, axit caffeic là nguồn nguyên liệu bền vững và an toàn với môi trường. Do đó, khi thị trường hóa các loại pin này phát triển mạnh mẽ, sử dụng rộng rãi các nguồn tài nguyên sinh học trong pin Li-ion cũng sẽ làm giảm lượng khí thải carbon dioxide.

Làm nổi bật những ưu điểm chính của cấu trúc pin, được phát triển trong nghiên cứu, GS Matsumi cho biết thêm: "Trong những nghiên cứu tiếp theo, chất kết dính của chúng tôi có thể được kết hợp với những vật liệu hoạt tính có tốc độ phản ứng cao để tạo ra hiệu ứng hiệp đồng mạnh mẽ hơn, nâng cao hiệu suất sử dụng pin."

Những nỗ lực tăng cường nghiên cứu về hiệu suất pin, sẽ xuất hiện những giải pháp cho các lựa chọn xanh hơn khi sử dụng năng lượng tái tạo trong lĩnh vực giao thông vận tải. "Thông qua công nghệ pin sạc tốc độ cao, người dùng sẽ thích sở hữu xe điện như một phương tiện di chuyển tiện lợi và phù hợp về tài chính.

GS. Matsumi kết luận, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo đảm bảo tính khả dụng của những sản phẩm năng lượng sạch trong tương lai (pin điện mặt trời), tiết kiệm chi phí và nhiều lợi ích khác, vượt qua sự sẵn có của nguồn nhiên liệu hóa thạch có sẵn và các tình huống phức tạp của sự tăng giảm hoặc gián đoạn nhiên liệu hóa thạch."

Theo Tech Xplore

Thái Bằng