Các nhà khoa học tìm ra cách sạc đầy pin nhanh nhờ viên pin Lithium-Ion

Các nhà nghiên cứu vừa phát triển một kỹ thuật đơn giản nhưng lại hoạt động hiệu quả trong phòng thí nghiệm. Cho phép họ nhìn thấy bên trong các viên pin lithium-ion và giúp họ theo dõi sự chuyển động của các ion lithium trong thời gian thực khi pin đang được sạc và xả. Một điều chưa bao giờ được thực hiện trước đây bởi những người khác. Nhờ kỹ thuật chi phí thấp này, các nhà nghiên cứu đã xác định được những quy trình làm giảm tốc độ sạc, giúp sạc đầy pin nhanh mà nếu giải quyết sẽ có thể giúp pin của hầu hết smartphone và laptop sạc đầy chỉ trong chưa đầy 5 phút, một kết quả tuyệt vời nếu họ thành công.

Cấu tạo pin lithium-ion (Li-ion)

Loại pin này sử dụng điện cực – được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầy khoảng trống giữa các lớp này. Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động.

Cực dương được làm bằng hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li (như LiMnO2, LiCoO2,… còn cực âm được làm bằng graphite. Ngoài ra, dung dịch điện ly của pin (nghĩa là môi trường cho phép các ion Li chuyển dịch từ điện cực này sang điện cực kia) phải có độ dẫn ion tốt cũng là chất cách điện tốt.

Phát triển thế hệ pin mới

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge tiết lộ rằng; kỹ thuật của họ sẽ không chỉ giúp cải thiện các vật liệu sản xuất pin hiện tại. Mà còn tăng tốc quá trình phát triển của thế hệ pin tiếp theo, một trong những rào cản công nghệ lớn nhất cần vượt qua trên con đường chuyển đổi sang một thế giới không sử dụng nhiên liệu hoá thạch.

Dù pin lithium-ion có những ưu điểm không thể phủ nhận. Như mật độ năng lượng tương đối cao và vòng đời dài so với các loại pin cũng như các phương thức lưu trữ năng lượng khác. Chúng cũng có thể bị quá nhiệt hoặc thậm chí là phát nổ. Và chi phí sản xuất thì khá đắt đỏ. Bên cạnh đó, mật độ năng lượng của pin lithium-ion vẫn còn kém xa xăng dầu. Cho đến nay, đó là lý do khiến chúng không phù hợp. Để sử dụng đại trà trong hai loại công nghệ sạch chủ chốt: xe hơi điện và hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời quy mô mạng lưới.

Nhóm nghiên cứu đưa ra những nhận định đầu tiên

“Một loại pin tốt là loại có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn nữa. Hoặc có thể sạc pin nhanh hơn – lý tưởng nhất là cả hai”. Theo đồng tác giả, tiến sỹ Christoph Schnedermann từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge. “Nhưng để tạo ra những loại pin tốt hơn từ các vật liệu mới. Và để cải thiện những loại pin chúng ta đang sử dụng. Chúng ta cần hiểu được điều gì đang diễn ra bên trong chúng”.

Để cải thiện pin lithium-ion và giúp chúng sạc đầy pin nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu cần theo dõi và nắm được những quy trình đang diễn ra trong các vật liệu sử dụng dưới điều kiện thực tế, trong thời gian thực. Hiện tại, để làm được điều này đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp. Như chụp cắt lớp X-ray hay kính hiển vi điện tử, vốn tiêu tốn thời gian và chi phí đắt đỏ.

“Để thực sự nghiên cứu những gì đang diễn ra trong một viên pin. Về cơ bản bạn phải dùng kính hiển vi để làm hai việc một lúc: bạn cần quan sát pin đang sạc và xả trong vài giờ. Nhưng đồng thời phải chụp rất nhanh các quy trình đang diễn ra bên trong pin” – theo tác giả Alice Merryweather.

Kính hiển vi tán xạ giao thoa dùng để quan sát

Nhóm nghiên cứu Cambridge đã phát triển một kỹ thuật kính hiển vi quang học. Gọi là kính hiển vi tán xạ giao thoa. Để quan sát những quy trình đang diễn ra để giúp sạc đầy pin nhanh được thành hiện thực. Dựa trên kỹ thuật này, họ có thể quan sát được từng hạt lithium cobalt oxide riêng rẽ (thường được gọi là LCO); đang sạc và xả bằng cách đo lượng ánh sáng tán xạ.