Pin thế hệ mới sạc nhanh và khó cháy nổ hơn

Pin có thể tìm thấy trên hầu như mọi thiết bị trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Từ laptop, smartphone, loa di động, pin sạc dự phòng, máy ảnh… cho đến cả xe hơi điện. So với trước đây, công nghệ pin Lithium đã có nhiều bước cải tiến đáng kể, tuy vậy thế giới đôi khi vẫn xuất hiện những vụ tai nạn liên quan đến pin cháy nổ khiến người dùng cảm thấy thiếu tự tin, đặc biệt là với những “món” trang bị pin dung lượng khủng.

Được biết, sở dĩ pin có thể phát hỏa là do tình trạng các ion Lithium không lắng đọng đều trên cực dương. Thay vào đó, những ion này tích tụ thành từng khối, hình thành nên một cấu trúc dạng nhánh cây. Theo thời gian, các sợi nhánh phát triển và đâm xuyên qua vật liệu ngăn cách các ngăn của pin, khiến pin bị đoản mạch, phát hỏa.

Các nhà khoa học trên thế giới đều biết rõ điều này, nhưng việc chế tạo pin cực dương kim loại vừa có độ an toàn, vừa có tuổi thọ cao vẫn là điều thách thức. Về cơ bản, đặc tính của cực dương (anode) hoặc chất dẫn điện chứa các ion Lithium là những yếu tố quan trọng đóng vai trò quyết định trong pin Lithium. Vật liệu thường dùng cho cực dương trong pin ngày nay là than graphite. Trong cực dương loại này, các ion Lithium được chèn vào giữa các lớp than graphite.

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thiết kế pin hiện tại làm giới hạn số lượng các ion Lithium có thể lưu trữ được trên cực dương. Không chỉ vậy, thiết kế này còn gây tốn kém đáng kể năng lượng để “kéo” các ion Lithium ra khỏi than graphite trong quá trình sạc điện cho pin. Đó là chưa kể các ion Lithium đôi khi không lắng đọng đều trên cực dương còn tạo thành các nhánh khiến pin đoản mạch và cháy nổ.

Hiểu rõ được điều này, các nhà khoa học tại Đại học Texas A&M (Mỹ) đã phát minh ra một loại pin mới với cấu trúc điện cực hiện đại hơn, có thể giảm thiểu tối đa tình trạng phát sinh cấu trúc nhánh bên trong pin gây hiện tượng đoản mạch nguy hiểm. Theo giải thích từ Juran Noh - người đứng đầu nhóm nghiên cứu, pin Lithium thế hệ mới của nhóm sử dụng phần cực dương có cấu trúc đặc biệt gồm các ống nano carbon.

Thiết kế cực dương với cấu trúc giàn giáo ống nano carbon (CNT) mang lại nhiều hứa hẹn cho một tương lai pin an toàn không lo cháy nổ, thời gian sạc ngắn và hiệu suất dòng điện tốt

Trong những ngày đầu nghiên cứu, cực dương trong pin thế hệ mới của nhóm các nhà khoa học thuộc đại học này sử dụng vật liệu nhẹ, dẫn điện cao và được sắp xếp theo dạng giàn giáo, có đủ không gian để các ion Lithium xâm nhập và lắng đọng lại. Tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm, cấu trúc này không mang lại nhiều thuận lợi cho việc liên kết các ion Lithium.

Vì vậy, các nhà khoa học đã chọn cách thiết kế hai cực dương dạng ống nano khác với cấu trúc hóa học bề mặt khác nhau chút đỉnh về lượng phân tử có thể liên kết với ion Lithium để kiểm tra tình trạng tạo các nhánh gai. Kết quả là cực dương chế tạo chỉ dùng các giàn giáo nano carbon không liên kết tốt với các ion Lithium và đương nhiên không có sự hình thành các nhánh gai, nhưng khả năng tạo ra dòng điện lớn cũng bị tổn hại. Mặt khác, thiết kế giàn giáo với quá nhiều phân tử liên kết lại hình thành nhiều nhánh gai, rút ngắn tuổi thọ của pin.

Trong khi đó, cực dương ống nano carbon với số lượng tối ưu các phân tử liên kết đã ngăn cản sự hình thành các nhánh gai gây tình trạng đoản mạch. Ngoài ra, một lượng lớn các ion Lithium có thể liên kết và lan truyền dọc theo bề mặt cấu trúc giàn giáo này giúp tăng khả năng tạo dòng điện lớn.

Juran Noh cho biết thêm, thiết kế cực dương của nhóm nghiên cứu cho hiệu suất xử lý dòng điện cao hơn gấp 5 lần so với pin Lithium trên thị trường. Cô tự tin có thể áp dụng pin cực dương Lithium đặc biệt của nhóm vào những quy mô lớn hơn như xe hơi điện vốn có nhu cầu sạc nhanh và an toàn. Giới quan sát hy vọng những sản phẩm thương mại đầu tiên sẽ sớm được ra đời và ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới.

QL