Pin lithium-ion bán rắn chống cháy
Một nhóm nghiên cứu tại Nhật Bản đã tạo ra một loại pin lithium-ion (LIB) bán rắn chống cháy, khắc phục những hạn chế của các loại pin truyền thống. Loại pin này sử dụng điện cực silicon và NCM811 cùng chất điện phân không cháy, cải thiện hiệu suất và khả năng tương thích.
Kết hợp đột phá giữa chất điện phân lỏng và rắn
Pin được phát triển bởi các nhà khoa học từ Đại học Doshisha và Tập đoàn TDK, kết hợp chất điện phân lỏng và rắn nhằm tăng tính an toàn và độ bền. Thông thường, việc tăng mật độ năng lượng của vật liệu điện cực sẽ giảm hiệu suất chu kỳ và độ an toàn, nhưng công nghệ mới đã mang lại giải pháp cân bằng.
Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế này cung cấp một giải pháp bền vững và an toàn hơn so với các loại pin hoàn toàn rắn mà vẫn duy trì mật độ năng lượng cao. “Tính an toàn và hiệu suất sạc/xả được cải thiện đã chứng minh tính khả thi của pin bán rắn như một công nghệ gần tương lai,” nhóm nghiên cứu nhấn mạnh.
Bề mặt tiếp xúc pin ổn định
Cải tiến trong thiết kế pin LIB tập trung vào việc nâng cao an toàn, độ tin cậy, mật độ năng lượng và khả năng tái chế. Dù chất điện phân hữu cơ cho phép pin LIB hoạt động ở điện áp cao, chúng cần các biện pháp an toàn nghiêm ngặt. Trong khi đó, chất điện phân rắn cung cấp giải pháp an toàn hơn nhưng lại gặp khó khăn trong việc duy trì bề mặt tiếp xúc rắn – rắn do sự giãn nở và co lại của điện cực trong quá trình sạc/xả.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu “liên giao diện” mang tính đàn hồi, không cháy và độ dẫn ion cao, kết hợp hoàn hảo giữa chất điện phân lỏng và rắn.
Các thành phần đột phá trong thiết kế
Thiết kế pin bao gồm điện cực âm silicon (Si) và điện cực dương LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), được xem là vật liệu thế hệ tiếp theo cho pin LIB. Một lớp gốm thủy tinh dẫn ion lithium rắn (LICGC) từ OHARA được sử dụng để tách các điện cực này.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển các dung dịch chất điện phân không cháy, gần như bão hòa, dành riêng cho từng loại điện cực để cải thiện khả năng tương thích và hiệu suất. Các dung dịch này bao gồm tris(2,2,2-trifluoromethyl) phosphate và methyl 2,2,2-trifluoromethyl carbonate, tương thích tốt với giao diện chất điện phân rắn và điện cực.
Hiệu suất vượt trội
Pin bán rắn dạng túi dung lượng 30 mAh đạt hiệu suất điện hóa cao, ổn định nhiệt và dẫn ion tốt. Nhóm đã sử dụng phương pháp đo nhiệt gia tốc (ARC), thử nghiệm sạc-xả và phân tích trở kháng điện hóa để đánh giá độ ổn định nhiệt và hiệu suất điện hóa.
Kết quả cho thấy pin duy trì khả năng sạc/xả cao, hiệu suất chu kỳ mạnh và ít thay đổi trở kháng nội bộ. Ngay cả ở nhiệt độ 150°C, cấu trúc Si-LICGC-NCM811 vẫn giữ được sự ổn định nhiệt và giảm sinh nhiệt từ các phản ứng phụ.
Tiềm năng ứng dụng rộng rãi
Nhóm nghiên cứu khẳng định: “Pin LIB mới này có tiềm năng thúc đẩy sự phát triển của các phương tiện điện thế hệ tiếp theo và thiết bị không dây như máy bay không người lái. Ứng dụng của nó không chỉ cải thiện sự tiện lợi mà còn thúc đẩy tăng trưởng kinh tế bền vững.”
