Nhìn xuyên qua viên pin Lithium-Ion, nhà khoa học tìm ra bí quyết sạc đầy pin smartphone trong vài phút

Các nhà nghiên cứu vừa phát triển một kỹ thuật đơn giản, hoạt động hiệu quả trong phòng thí nghiệm, cho phép họ nhìn thấy bên trong các viên pin lithium-ion và theo dõi sự chuyển động của các ion lithium trong thời gian thực khi pin đang được sạc và xả, một điều chưa bao giờ được thực hiện trước đây.

Nhờ kỹ thuật chi phí thấp này, các nhà nghiên cứu đã xác định được những quy trình làm giảm tốc độ sạc, mà nếu giải quyết sẽ có thể giúp pin của hầu hết smartphone và laptop sạc đầy chỉ trong chưa đầy 5 phút.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge tiết lộ rằng kỹ thuật của họ sẽ không chỉ giúp cải thiện các vật liệu sản xuất pin hiện tại, mà còn tăng tốc quá trình phát triển của thế hệ pin tiếp theo, một trong những rào cản công nghệ lớn nhất cần vượt qua trên con đường chuyển đổi sang một thế giới không sử dụng nhiên liệu hoá thạch.

Dù pin lithium-ion có những ưu điểm không thể phủ nhận, như mật độ năng lượng tương đối cao và vòng đời dài so với các loại pin cũng như các phương thức lưu trữ năng lượng khác, chúng cũng có thể bị quá nhiệt hoặc thậm chí là phát nổ, và chi phí sản xuất thì khá đắt đỏ. Bên cạnh đó, mật độ năng lượng của pin lithium-ion vẫn còn kém xa xăng dầu. Cho đến nay, đó là lý do khiến chúng không phù hợp để sử dụng đại trà trong hai loại công nghệ sạch chủ chốt: xe hơi điện và hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời quy mô mạng lưới.

” Một loại pin tốt là loại có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn nữa, hoặc có thể sạc nhanh hơn – lý tưởng nhất là cả hai ” – theo đồng tác giả, tiến sỹ Christoph Schnedermann từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge. ” Nhưng để tạo ra những loại pin tốt hơn từ các vật liệu mới, và để cải thiện những loại pin chúng ta đang sử dụng, chúng ta cần hiểu được điều gì đang diễn ra bên trong chúng ”

Để cải thiện pin lithium-ion và giúp chúng sạc nhanh hơn, các nhà nghiên cứu cần theo dõi và nắm được những quy trình đang diễn ra trong các vật liệu sử dụng dưới điều kiện thực tế, trong thời gian thực. Hiện tại, để làm được điều này đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp như chụp cắt lớp X-ray hay kính hiển vi điện tử, vốn tiêu tốn thời gian và chi phí đắt đỏ.

” Để thực sự nghiên cứu những gì đang diễn ra trong một viên pin, về cơ bản bạn phải dùng kính hiển vi để làm hai việc một lúc: bạn cần quan sát pin đang sạc và xả trong vài giờ, nhưng đồng thời phải chụp rất nhanh các quy trình đang diễn ra bên trong pin ” – theo tác giả Alice Merryweather.

Nhóm nghiên cứu Cambridge đã phát triển một kỹ thuật kính hiển vi quang học gọi là kính hiển vi tán xạ giao thoa để quan sát những quy trình đang diễn ra. Dựa trên kỹ thuật này, họ có thể quan sát được từng hạt lithium cobalt oxide riêng rẽ (thường được gọi là LCO) đang sạc và xả bằng cách đo lượng ánh sáng tán xạ.

Họ đã thấy được LCO đi qua một chuỗi các phản ứng chuyển hoá pha trong chu kỳ sạc – xả. Phần rìa pha trong các hạt LCO di chuyển và thay đổi khi lithium ion vào và ra. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cơ chế di chuyển của phần rìa này khác nhau phụ thuộc việc pin đang sạc hay xả.

” Chúng tôi phát hiện ra rằng có những mức giới hạn tốc độ khác nhau đối với các loại pin lithium-ion, tuỳ thuộc vào việc nó đang sạc hay xả ” – theo tiến sỹ Akshay Rao, người dẫn đầu nghiên cứu. ” Khi sạc, tốc độ tuỳ thuộc vào việc các lithium ion đi xuyên qua các hạt của vật liệu hoạt hoá nhanh đến mức nào. Khi xả, tốc độ tuỳ thuộc vào việc các ion được chèn vào các rìa nhanh đến mức nào. Nếu chúng ta có thể kiểm soát được hai cơ chế này, chúng ta sẽ có thể sạc các loại pin lithium-ion nhanh hơn nhiều ”

” Xét việc pin lithium-ion đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, bạn hẳn cho rằng chúng ta đã biết mọi thứ cần biết về chúng, nhưng không phải vậy ” – theo Schnedermann. ” Kỹ thuật này cho phép chúng ta thấy được nó có thể trải qua một chu kỳ sạc – xả nhanh đến mức nào. Điều chúng tôi thực sự muốn tìm hiểu là sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu những vật liệu pin thế hệ tiếp theo – chúng tôi có thể sử dụng điều đã học được về LCO để phát triển các vật liệu mới ”

” Kỹ thuật này là một phương thức khá phổ quát nhằm nghiên cứu động lực học ion trong các vật liệu thể rắn, do đó bạn có thể sử dụng nó trong gần như bất kỳ loại vật liệu pin nào ” – theo Giáo sư Clare Grey thuộc Khoa Hoá của Cambridge, đồng tác giả nghiên cứu.

Bởi phương thức này có lưu lượng đầu vào cao nên nó cho phép nhiều hạt có thể được lấy mẫu cùng lúc trên toàn bộ electrode, và sau này sẽ cho phép khám phá sâu hơn nữa những điều có thể diễn ra khi pin bị hỏng và làm sao để ngăn chặn điều đó.

” Kỹ thuật thí nghiệm mà chúng tôi phát triển được này mang lại một sự thay đổi lớn trong tốc độ công nghệ để chúng ta có thể bắt kịp với những quy trình bên trong vốn diễn ra rất nhanh của một viên pin ” – theo Schnedermann. ” Việc chúng tôi có thể thực sự thấy những rìa pha kia thay đổi trong thời gian thực quả là đáng ngạc nhiên. Kỹ thuật này có thể là một mảnh ghép quan trọng nhằm phát triển các loại pin thế hệ tiếp theo ”