Ba nhà tiên phong của pin lithium đã cùng chia sẻ Giải thưởng Nobel Hóa học 2019, thế nhưng sau bốn thập niên nghiên cứu, việc triển khai pin không phải là không gặp trở ngại gì. Lithium-kim loại, một vật liệu anode lí tưởng vì mật độ năng lượng cao của nó, đã được dùng trong các nguyên mẫu pin lithium ra đời sớm nhất. Tuy nhiên, thiết kế này đã bị bỏ xó bởi nó không vượt qua được các vấn đề an toàn. Các cấu trúc dạng cây phân nhánh gọi là dendrite hình thành xung quanh anode, dẫn tới ngắn mạch và cạn kiệt chất điện phân.
Nay các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, dưới sự chỉ đạo của Chongmin Wang, đã sải những bước dài trong việc tìm hiểu sự hình thành dendrite lithium. Sử dụng các nghiên cứu trực tiếp về sự phát triển dendrite, họ đã thu được những thông tin giá trị cho việc phát triển pin lithium an toàn.
Chongmin Wang (trái), Wu Xu (giữa) và Yang He (phải) cùng với kính hiển vi điện tử truyền qua môi trường cải tiến của họ. Ảnh: Andrea Starr
Trong hoạt động của pin, anode phản ứng với chất điện phân xung quanh tạo thành một lớp trung gian điện phân rắn xốp bao lấy nó. Tính chất của lớp trung gian có tác động mạnh đối với sự hình thành và hình thái dendrite lithium. Wang và các đồng sự đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi lực nguyên tử để theo dõi sự phát triển dendrite dưới các điều kiện môi trường và ứng suất ngoài khác nhau. Họ phát hiện thấy sự hình thành dendrite bị kiềm chế bởi độ dẫn ion. Các ion lithium ít bị lắng đọng thành dendrite hơn nếu lớp trung gian dẫn ion thật nhanh.
“Chuyển động chậm của các ion trong lớp trung gian dẫn tới sự lắng đọng định xứ và sau đó lớn lên theo hình cây,” Wang nói. “Công trình của chúng tôi chứng minh trực tiếp mối tương liên giữa hình thái dendrite và môi trường phát triển của nó.”
Các quan sát thời gian thực này được tiến hành trong môi trường khí, nhưng pin và acquy thực tế sử dụng chất điện phân lỏng. Các nhà nghiên cứu đã xác thực giả thuyết độ dẫn ion của họ trong các pin lỏng như thế. Khi họ “làm nhiễm độc” chất điện phân hữu cơ lỏng bằng athylene carbonate, lớp trung gian điện phân rắn thu được có độ dẫn ion thấp hơn, và họ lại quan sát thấy sự hình thành dendrite.
Wang và các đồng sự đề xuất hai chiến lược làm tăng mức an toàn của các pin lithium-kim loại. Trước tiên là xử lí chất điện phân sao cho chỉ những sản phẩm phân li với độ linh động ion cao mới được hình thành trong lớp trung gian điện phân rắn. Thứ hai là sử dụng một hàng rào cứng để ngăn cản sự vươn dài của các dendrite.
Đội nghiên cứu đã lên kế hoạch tiếp tục tối ưu hóa tính chất hóa học của chất điện phân để giải bài toán dendrite một lần cho mãi mãi. Tuy nhiên, họ thừa nhận rằng việc hiện thực hóa pin sạc lithium-kim loại thì phức tạp hơn nhiều so với việc loại trừ vấn đề dendrite.
“Pin lithium là một hệ thống và mọi thành phần của nó đều phụ thuộc lẫn nhau,” phát biểu của Yang He, một thành viên đội. “Việc biến đổi chất điện phân để ngăn cản sự phát triển dendrite có thể tình cờ làm thay đổi các khía cạnh khác của pin, ví như các tương tác cathode-chất điện phân. Song công trình của chúng tôi đem lại một chỉ dẫn để sàng lọc các công thức chất điện phân khác nhau.”
Ngăn ngừa sự phát triển dendrite sẽ là một bước ý nghĩa hướng tới việc khai thác mật độ năng lượng đầy đủ và năng suất của lithium nguyên chất, nhằm hiện thực hóa pin xanh, hiệu quả, và quan trọng hơn hết thảy, an toàn hơn.
Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Nguồn: physicsworld.com
