Pin thể rắn đạt bước tiến lịch sử: Sạc 1.500 lần vẫn giữ 75% dung lượng

Công nghệ pin mới từ Thụy Sĩ khi sạc 1.500 lần vẫn như mới, xe điện sắp thay đổi mãi mãi?

Chúng ta vẫn thường nghe những lời hứa hẹn "có cánh" trong các quảng cáo xe điện hay điện thoại thông minh về một tương lai pin không chai, không nổ. Tuy nhiên, công nghệ hiện tại vẫn liên tục va phải những bức tường vật lý. Mới đây, một nghiên cứu từ Viện PSI đã tìm ra cách đập tan rào cản đó, mở đường cho kỷ nguyên pin thể rắn.

Phương pháp PSI mới kết hợp quá trình thiêu kết nhẹ nhàng và lớp LiF siêu mỏng giúp pin thể rắn bền bỉ hơn.

Giải quyết bài toán "kép" của pin thể rắn

Pin lithium-ion truyền thống sử dụng chất điện phân lỏng, vốn dễ cháy và tiềm ẩn nguy cơ nổ. Pin thể rắn thay thế chất lỏng này bằng vật liệu rắn, giúp an toàn hơn và chứa nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, thị trường vẫn phải chờ đợi vì hai rào cản kỹ thuật lớn:

- Dendrites (tinh thể nhánh cây): Các cấu trúc hình kim loại lithium mọc ra từ cực dương, đâm xuyên qua chất điện phân rắn và gây đoản mạch.

- Giao diện không ổn định: Điểm tiếp xúc giữa kim loại lithium và chất điện phân rắn thường bị phá vỡ, làm giảm hiệu suất nhanh chóng.

Nhóm nghiên cứu tại PSI đã tiếp cận vấn đề bằng một chiến lược tổng hợp khi vừa cải thiện cấu trúc chất điện phân, vừa gia cố lớp bảo vệ cực dương.

Bí mật nằm ở nhiệt độ 80 độ C và lớp khiên 65 nanomet

Nghiên cứu tập trung vào chất điện phân rắn loại argyrodite (LPSCl) – một vật liệu gốc sunfua dẫn ion cực tốt. Vấn đề là LPSCl rất khó làm đặc. Các phương pháp cũ dùng nhiệt độ cao (> 400 độ C) hoặc áp suất lớn thường làm hỏng cấu trúc vật liệu.

Ông Mario El Kazzi, trưởng nhóm Vật liệu Pin tại PSI, cho biết họ đã áp dụng phương pháp "Gentle Sintering". Thay vì nung nóng dữ dội, họ nén vật liệu ở nhiệt độ chỉ khoảng 80 độ C. Kết quả là một cấu trúc đặc khít, không còn lỗ hổng cho dendrites xâm nhập nhưng vẫn giữ nguyên tính chất hóa học.

Chưa dừng lại ở đó, để bảo vệ giao diện cực dương, nhóm đã phủ một lớp Lithium Fluoride (LiF) siêu mỏng, chỉ dày 65 nanomet. Lớp phủ này đóng vai trò như một tấm khiên chặn đứng sự phát triển của các nhánh dendrites và ngăn chặn phản ứng phân hủy hóa học.

Kết quả chấn động: Đạt tới 1.500 chu kỳ sạc

Kết quả thử nghiệm trên các pin cúc áo trong phòng thí nghiệm đã gây ngạc nhiên lớn.

"Độ ổn định chu kỳ ở điện áp cao thật đáng kinh ngạc", Jinsong Zhang, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Sau 1.500 chu kỳ sạc và xả, viên pin vẫn giữ được khoảng 75% dung lượng ban đầu. Đây là một trong những chỉ số tốt nhất từng được ghi nhận đối với công nghệ này.

Đột phá này không chỉ nằm ở hiệu suất mà còn ở tính khả thi trong sản xuất. Việc sử dụng nhiệt độ thấp (80 độ C) giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất đáng kể so với các phương pháp cũ.

Ảnh minh họa pin thể rắn.

Nếu được ứng dụng đại trà, công nghệ này sẽ cho phép xe điện đi được quãng đường xa hơn, an toàn hơn và các thiết bị điện tử có tuổi thọ pin dài hơn gấp nhiều lần. Theo ông Kazzi, đây là giải pháp thực tế cho sản xuất công nghiệp, chỉ cần thêm vài điều chỉnh nhỏ là có thể bắt đầu triển khai.

Nghiên cứu chi tiết đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Advanced Science.