Công nghệ mới giúp tăng gấp 3 tuổi thọ pin sạc

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một công nghệ mới có thể tăng gấp 3 lần tuổi thọ của pin lithium ion (loại pin có thể sạc nhiều lần), tạo ra bước tiến lớn trong việc chuyển đổi sang năng lượng xanh.

Các nhà nghiên cứu cho biết công nghệ mới thay thế dung dịch hóa học của pin bằng một chất mới có độ sệt giống như gel, có thể được mở rộng quy mô để ứng dụng ngay trong ngành công nghiệp xe điện đang bùng nổ của Trung Quốc.

Nghiên cứu do Giáo sư Yu Le và Phó giáo sư Li Nianwu tại Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh (Trung Quốc) thực hiện và đã được công bố trên tạp chí Advanced Function Materials vào tuần trước.

Khi dung lượng pin giảm đi khi sạc và xả nhiều lần, một chỉ số quan trọng về tuổi thọ sử dụng của nó là khả năng duy trì dung lượng – được tính bằng tỷ số giữa khả năng phóng điện và khả năng phóng điện ban đầu sau một chu kỳ nhất định.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thử nghiệm để đo hiệu suất duy trì của loại pin mới.

“Chúng tôi đã tiến hành 100% độ sâu xả của pin ( DoD). Quá trình này thực sự có hại cho vòng đời của pin, nhưng nó có hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề. Sau 300 chu kỳ sạc và xả với 100% DoD, pin của chúng tôi vẫn ở mức 92% dung lượng. Trong khi loại pin cũ với cực dương lithium trần và chất điện phân lỏng chỉ còn 30%”, Li nói.

Hình ảnh minh họa cho công nghệ mới – Ảnh: Li Nianwu

Theo các nhà nghiên cứu, thành tựu này rất đáng khích lệ. Họ cũng cho biết loại pin mới này có thể được áp dụng cho pin EV hoặc máy bay không người lái để kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng.

“Pin trong xe điện là sự kết hợp của hàng trăm tế bào pin tương tự như mô hình thử nghiệm của chúng tôi. Chúng tôi sử dụng một lớp gel dày hơn trong mô hình để nâng cao hiệu suất của pin”, Li nói thêm.

Pin Lithium được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng vì mật độ và dung lượng năng lượng cao. Nhưng cực dương kim loại liti hoạt động ở trạng thái tự nhiên và có thể phản ứng với dung dịch hóa học truyền thống được gọi là chất điện phân lỏng, dẫn đến mất hiệu suất và các vấn đề an toàn.

Giáo sư Yu và Li đã phát triển chất điện phân polyme gel (GPEs), một vật liệu nửa rắn hoặc nửa lỏng, như một loại chất làm đầy mới cho pin lithium.

Các dung dịch lỏng truyền thống có ưu điểm là độ dẫn điện cao, đồng nghĩa là chúng truyền các ion liti nhanh hơn. Mặt khác, chất điện phân polyme rắn có tính linh hoạt cao hơn và an ninh chống cháy tốt hơn.

GPEs được tạo thành từ các hạt nano và silica có kích thước nano đóng vai trò như chất độn vô cơ, trong đó sợi nano hoạt động như một chất nền hỗ trợ cho các hạt nano. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng một vật liệu giống như thạch để lấp đầy khoảng trống giữa các lỗ rỗng.

Các hạt nano có thể làm tăng độ dẫn điện vì chúng kích thích sự chuyển động của các ion mang điện trong liti và các chất hóa học. Các nhà khoa học cho biết, cấu trúc xốp được lấp đầy bởi vật liệu giống như thạch này có thể làm tăng thêm sự tự do chuyển động của các ion.

Các hạt nano cũng tăng cường an toàn cháy nổ của GPEs vì bản chất chúng không dễ cháy. Các sợi nano, xốp, hỗ trợ và tăng tính linh hoạt của cấu trúc bên trong pin.

Tất cả các tính năng này mang lại cho chất điện phân mới độ ổn định và hiệu suất cao hơn.

“Trung Quốc đang dẫn đầu trong việc phát triển pin mật độ năng lượng cao, các công ty như BYD Co và Contemporary Amperex Technology đang làm rất tốt trong lĩnh vực này. Nhưng vấn đề an toàn và cháy nổ pin vẫn là mối quan tâm toàn cầu. Nhiều nhà nghiên cứu đang giải quyết vấn đề này theo nhiều cách khác nhau và đưa ra nhiều lựa chọn khác nhau, bao gồm việc thay thế chất điện phân bằng vật liệu rắn hoặc nanocompozit. Chất điện phân polyme gel của chúng tôi đại diện cho những lựa chọn đó”, Li cho biết.

Báo cáo năm 2018 của Tổ chức Khoa học và công nghiệp Australia (CSIRO) cho thấy rác thải từ pin lithium đang tăng 20%/năm và chỉ 10% trong tổng số tất cả các loại pin được tái chế. Thông qua việc tăng tuổi thọ của pin, công nghệ mới sẽ giảm bớt tần suất tái chế pin, góp phần giải quyết vấn đề này. Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ mở rộng sang quy mô sản xuất công nghiệp trong 2-3 năm tới.