Nhóm nghiên cứu quốc tế phát hiện một phương pháp ngăn chặn hình thành lớp mạ lithium trong pin xe điện, giúp phương tiện sạc nhanh hơn, kéo dài tuổi thọ pin, mở ra hướng phát triển mới tăng phạm vi hoạt động cho xe điện.
Scitech Daily cho biết, một nghiên cứu mới do TS Xuekun Lu từ Đại học Queen Mary ở Luân Đôn dẫn đầu, phối hợp với một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ Anh và Mỹ đã tìm ra giải pháp ngăn chặn lớp mạ lithium trong pin xe điện, có thể cho phép thực hiện kỹ thuật sạc nhanh cho pin xe điện, đồng thời giúp pin bền và hoạt động ổn định hơn. Bài báo khoa học được công bố ngày 24/8 trên tạp chí Nature Communications.
Lớp mạ Lithium trong pin xe điện
Hiện tượng mạ lithium xảy ra ở pin lithium-ion trong quá trình sạc nhanh với cường độ dòng điện cao. Xu hướng này diễn ra khi các ion lithium tích tụ trên bề mặt điện cực âm của pin chứ không thẩm thấu vào bên trong, tạo thành một lớp lithium kim loại trên bề mặt và tiếp tục phát triển dày lên như lớp mạ điện. Tình trạng này làm giảm độ xốp của cực dương và giảm bề mặt tiếp xúc phản ứng, gây suy giảm nhanh chóng dung lượng, rút ngắn tuổi thọ của pin, hình thành các gai kim loại gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ pin.
Giải pháp ngăn chặn lớp mạ lithium
TS Xuekun Lu giải thích, tình trạng mạ lithium có thể được giảm thiểu đáng kể bằng phương thức tối ưu hóa cấu trúc vi mô của điện cực âm than chì. Điện cực âm than chì là sự kết hợp chặt chẽ của các hạt vi mô phân bố ngẫu nhiên, phương pháp tinh chỉnh hình thái hạt và điện cực để hoạt động phản ứng đồng nhất và giảm độ bão hòa lithium cục bộ là điều kiện then chốt để ngăn chặn lớp mạ lithium và tăng cường hiệu suất của pin.
Phân phối nồng độ lithium
Sự phân bố nồng độ lithium được biểu thị bằng màu sắc trong quá trình sạc của điện cực âm than chì. Ảnh: Xuekun Lu et al/Nature Communications
TS Lu cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi đã cho thấy, cơ chế kết dính của các hạt than chì thay đổi trong những điều kiện khác nhau, tùy thuộc vào hình thái bề mặt, kích thước, hình dạng và định hướng kết cấu của các hạt than chì, ảnh hưởng phần lớn đến quá trình phân phối lithium và xu hướng xuất hiện mạ lithium. Được hỗ trợ bởi mô hình pin 3D tiên tiến, trong nghiên cứu này, chúng tôi nắm bắt được thời điểm, địa điểm bắt đầu hình thành mạ lithium và tốc độ phát triển của lớp mạ. Đây là một phát hiện có tính đột phá quan trọng, có tác động lớn đến tương lai của xe điện.”
Ý nghĩa quan trọng của nghiên cứu
Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới trong tiến trình phát triển các giao thức sạc nhanh tiên tiến bằng phương thức nâng cao hiểu biết về những quá trình vật lý phân phối lithium trên các hạt than chì trong quá trình sạc nhanh. Kiến thức mới có thể giúp phát triển khả năng sạc nhanh hiệu quả đồng thời giảm thiểu rủi ro xuất hiện lớp mạ lithium, gây lên sự hỏng hóc của pin xe điện.
Ngoài khả năng cung cấp thời gian sạc nhanh hơn, nghiên cứu còn phát hiện được, phương pháp tinh chỉnh cấu trúc vi mô của điện cực than chì có thể tăng cường mật độ năng lượng của pin. Một cấu trúc vi mô hợp lý của điện cực thanh chì trong pin sẽ cho phép xe điện mở rộng phạm vi chỉ sau một lần sạc.
Những phát hiện mới về khả năng nâng cấp pin lithium là một bước tiến mang tính đột phá lớn trong quá trình phát triển pin xe điện. Từ những phát hiện này, có thể chế tạo được pin cho xe điện, có khả năng sạc nhanh hơn, bền hơn và an toàn hơn, khiến xe điện trở thành một phương tiện có sức hấp dẫn trong sử dụng thực tế đối với người tiêu dùng.