Pin không cực dương mở ra tương lai mới cho xe điện

Một nhóm nhà khoa học Hàn Quốc vừa công bố bước đột phá lớn trong công nghệ pin khi phát triển thành công loại pin không cực dương (anode-free) đạt mật độ năng lượng thể tích lên tới 1.270 Wh/L - gần gấp đôi so với pin lithium-ion đang được sử dụng phổ biến trên xe điện hiện nay.

Nghiên cứu do các nhà khoa học đến từ POSTECH, KAIST và Đại học Quốc gia Gyeongsang thực hiện. Thành tựu này được kỳ vọng sẽ giúp kéo dài đáng kể quãng đường di chuyển của xe điện.

Theo nhóm nghiên cứu do Giáo sư Soojin Park và Tiến sĩ Dong-Yeob Han (POSTECH) dẫn đầu, pin thử nghiệm đạt mật độ năng lượng thể tích 1.270 Wh/L, trong khi pin lithium-ion trên xe điện hiện nay chỉ đạt khoảng 650 Wh/L.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kiến trúc pin lithium kim loại không cực dương. Trong thiết kế này, cực dương graphite truyền thống được loại bỏ hoàn toàn. Thay vào đó, các ion lithium được lưu trữ trong cực âm sẽ di chuyển và bám trực tiếp lên bộ thu dòng bằng đồng trong quá trình sạc.

Pin mới giúp xe điện chạy xa gấp đôi mà không cần tăng kích thước.

Việc loại bỏ cực dương giúp giải phóng không gian bên trong pin, cho phép tích hợp nhiều vật liệu hoạt tính hơn trong cùng một thể tích, tương tự như việc “chứa nhiều nhiên liệu hơn trong cùng một bình xăng”.

Dù có tiềm năng lớn, pin lithium kim loại không cực dương từ lâu gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Thách thức lớn nhất là hiện tượng lắng đọng lithium không đồng đều trong quá trình sạc, dẫn đến sự hình thành các nhánh sắc nhọn. Những cấu trúc này có thể xuyên thủng lớp ngăn cách bên trong pin, gây đoản mạch và mất an toàn.

Bên cạnh đó, bề mặt lithium dễ bị xuống cấp sau nhiều chu kỳ sạc - xả, làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ pin. Đây cũng là lý do công nghệ pin lithium kim loại không cực dương đến nay vẫn khó đạt đồng thời ba yếu tố: mật độ năng lượng cao, độ bền lâu dài và độ an toàn.

Để khắc phục các hạn chế trên, nhóm nghiên cứu đã phát triển giải pháp kết hợp gồm khung lưu trữ có thể đảo ngược và chất điện phân được thiết kế chuyên biệt.

Khung lưu trữ là một cấu trúc polymer tích hợp các hạt nano bạc phân bố đồng đều, đóng vai trò dẫn hướng để lithium lắng đọng đúng vị trí, giúp quá trình phát triển lithium diễn ra đồng đều thay vì ngẫu nhiên.

Trong khi đó, chất điện phân được thiết kế để tạo ra một lớp bề mặt ổn định gồm Li2O và Li3N trên kim loại lithium. Lớp này vừa hạn chế sự hình thành các nhánh sắc nhọn, vừa cho phép ion lithium di chuyển hiệu quả, bảo vệ pin trong quá trình vận hành lâu dài.

Nhờ sự kết hợp của hai giải pháp trên, pin thử nghiệm cho thấy hiệu suất ấn tượng trong điều kiện vận hành khắt khe. Ở mật độ dung lượng 4,6 mAh/cm2 và mật độ dòng 2,3 mA/cm2, pin vẫn duy trì 81,9% dung lượng ban đầu sau 100 chu kỳ sạc - xả, với hiệu suất Coulombic trung bình đạt 99,6%.

Pin vẫn hoạt động ổn định ngay cả khi lượng điện phân rất thấp và áp suất xếp chồng nhỏ, mở ra triển vọng giảm trọng lượng, đơn giản hóa quy trình sản xuất và tăng khả năng thương mại hóa.

Giáo sư Park nhận định, nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng khi đồng thời giải quyết được các vấn đề về hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium kim loại không cực dương. Trong khi đó, việc sử dụng các dung môi điện phân sẵn có trên thị trường giúp công nghệ này tiến gần hơn tới ứng dụng thực tế.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials và được giới chuyên môn đánh giá là một trong những đột phá đáng chú ý nhất trong lĩnh vực pin xe điện thời gian gần đây.

Duy Anh