Không nên để đồ điện tử của bạn vào lò vi sóng, nhưng để cho pin hoạt động lâu hơn, có lẽ một ngày nào đó bạn sẽ làm nóng chúng lúc không sử dụng. Theo thời gian hoạt động, các điện cực bên trong pin sạc có thể phát sinh những sợi tóc nhỏ xíu, hình nhánh gọi là dendrite, làm ngắn mạch điện khiến pin bị hỏng hoặc thậm chí làm nó cháy. Nhưng nhờ những thí nghiệm mới và mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ California đã khảo sát chi tiết xem nhiệt độ cao có thể phá hỏng các dendrite này như thế nào – và từ đó có thể kéo dài tuổi thọ pin.
Pin gồm một cực dương và một cực âm, tương ứng gọi là cathode và anode. Khi pin tạo ra dòng điện, các electron chạy từ anode qua mạch điện bên ngoài pin và trở về cathode. Bị mất electron tạo ra dòng điện, nên một số nguyên tử trong anode – một kim loại dẫn điện như lithium chẳng hạn – trở thành ion rồi dịch chuyển sang cathode, đi qua một môi trường lỏng dẫn điện gọi là chất điện phân.
Quan sát không có thiết bị hỗ trợ của các dendrite lithium vô định hình/fractal.
Việc sạc điện cho pin làm đảo ngược quá trình trên, và các ion dịch chuyển trở lại và bám lên anode. Nhưng khi bám trở lại, các ion không dính đồng đều. Thay vậy, chúng tạo ra những chỗ mấp mô vi mô cuối cùng phát triển thành những nhánh dài và lớn dần qua các chu trình sạc. Khi các dendrite này vươn chạm tới cathode, chúng làm ngắn mạch điện. Bây giờ dòng điện chạy qua dendrite thay vì mạch điện ngoài, làm pin trở nên vô dụng và hỏng.
Đồng thời dòng điện làm nóng các dendrite, và bởi vì chất điện phân có xu hướng dễ cháy nên các dendrite có thể đánh lửa. Cho dù các dendrite không làm ngắn mạch điện thì chúng vẫn có thể làm anode vỡ hoàn toàn và trôi nổi trong chất điện phân. Khi đó, anode mất vật liệu, và pin không còn trữ nhiều năng lượng như ban đầu nữa.
Quan sát không có thiết bị hỗ trợ của các dendrite lithium được tạo ra với i = 2 mA, trong thời gian t = 24 h (a) trước và (b) sau khi nhúng vào chậu dầu có nhiệt độ T = 78 C trong t = 48 h. Phần diện tích tô màu giảm từ 64% xuống còn 41%.
“Các dendrite nguy hiểm và làm giảm dung lượng của pin sạc,” phát biểu của Asghar Aryanfar, một nhà khoa học tại Caltech, người đứng đầu nghiên cứu trên. Họ vừa công bố kết quả trên trang bìa tạp chí The Journal of Chemical Physics, số ra tuần này. Mặc dù các nhà nghiên cứu khảo sát pin lithium, một trong những loại pin hiệu quả nhất, nhưng kết quả của họ có thể áp dụng rộng rãi. “Vấn đề dendrite là chung cho mọi loại pin sạc,” Aryanfar nói.
Các nhà nghiên cứu đã nuôi các dendrite lithium trên pin thử nghiệm và làm nóng chúng trong vài ngày. Họ nhận thấy các nhiệt độ lên tới 55oC làm ngắn các dendrite tới 36%. Để xác định nguyên nhân chính xác gây ra hiện tượng thu ngắn này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy vi tính chạy mô phỏng tác dụng của nhiệt lên từng nguyên tử lithium tạo nên một dendrite, nó được mô tả bởi dạng hình học đơn giản, lí tưởng hóa là hình chóp.
Các mô phỏng cho thấy nhiệt độ tăng làm kích hoạt các nguyên tử chuyển động theo hai kiểu. Nguyên tử tại đỉnh hình chóp có thể hạ xuống mức thấp hơn. Hoặc một nguyên tử ở mức thấp có thể di chuyển và để lại một khoảng trống, sau đó khoảng trống này được lấp đầy bởi một nguyên tử khác. Các nguyên tử chuyển động ngẫu nhiên, tạo ra đủ lượng chuyển động để làm đứt gãy dendrite.
Bằng cách định lượng phần năng lượng cần thiết để làm biến đổi cấu trúc của dendrite, theo Aryanfar, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn các đặc trưng cấu trúc của nó. Và trong khi nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin ở nhiệt độ cao – ví dụ xu hướng của nó tự phóng điện hoặc sự xuất hiện của các phản ứng hóa học phụ – nhưng nghiên cứu mới này cho thấy để kéo dài tuổi thọ cho pin, tất cả những gì bạn có thể làm là thêm vào một ít nhiệt.
Tham khảo: "Annealing kinetics of electrodeposited lithium dendrites," by Asghar Aryanfar, Tao Cheng, Agustin J. Colussi, Boris V. Merinov, William A. Goddard III and Michael R. Hoffmann. The Journal of Chemical Physics October 1, 2015 DOI: 10.1063/1.4930014
Nguồn: PhysOrg.com
